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Blitzenergie

Grundlagen und Expertenwissen.
Vincent
 
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Blitzenergie

Beitragvon Vincent » Mo 26. Dez 2016, 13:11

Hallo,

Ich werde meine Maturaarbeit im Themenbereich Physik erarbeiten. Unser Seminarthema lautet „Möglich-Unmöglich“. Wir Maturanten sollen versuchen heutige physikalische Erforschungen, welche wegen dem fehlenden Wissen oder den fehlenden Materialien nicht möglich sind, zu erforschen und sollen die Zukunft dieser Technologien vorauszusagen oder zumindest andeuten. Da es im Moment viele neue erneuerbare Energien gibt, welche grosse Fortschritte machen, habe ich mir gedacht, dass ich über die nutzbare Blitzenergie schreiben könnte.

Ich weiss, dass der Blitz eine sehr hohe Spannung und Stromstärke besitzt, jedoch über eine sehr kurze Zeit erfolgt. Deswegen hat ein Blitz nicht so viel Energie, welche man sich zuerst vorgestellt hat. Zudem weiss ich, dass es schwierig ist die Blitze zu orten und dann auch am richtigen Zeitpunkt an Ort und Stelle zu sein.

Deshalb möchte ich theoretisch versuchen die Energie der Blitze in Akkumulatoren einzuspeichern und dann gezielt zu nutzen. Hierfür habe ich mir gedacht, dass man die Parallelschaltung und Serienschaltung sich zu Nutze machen könnte. Man lässt den Blitz in eine Metallstange leiten, welche sich in mehrere kleinere Metallstangen teilt, dabei würde die Stromstärke geteilt werden. Für das Runterbrechen der Spannung würde man die Akkumulatoren hintereinander anbringen.

Oder man könnte die elektrische Energie in Super-Kondensatoren einspeichern (die lassen sich schneller aufladen als Akkumulatoren) und dann würde man langsam die Akkus auffüllen. Somit würde man die Blitzenergie kurzzeitig speichern und dann in den Akku einspeichern für eine längere Speicherung.

Damit meine Arbeit regional bleibt, habe ich mich entschieden den Kanton Freiburg und umliegende Gebiete zu untersuchen. Ich würde theoretisch in diesem grossen Gebiet jeden Kilometer eine Metallstange montieren und dann die Blitze über einem Jahr in diesen Akkumulatoren einspeichern. Natürlich müsste man aus finanzieller Sicht extrem viel für das Material (Akkus, Spuer-Kondensator, Stangen etc.), das Zusammenbauen und Aufbauen bezahlen.
Ich habe auch schon bei MeteoSchweiz Daten empfangen können und habe die Blitzdichte (Blitze pro km2 und pro Jahr) über die letzten 10 Jahre in diesem Gebiet ermitteln können. Ich habe auch schon das Buch „Lightning: Physics and Effects“ angefangen zu lesen, jedoch wird viel über die Vereinigten Staaten von Amerika gesagt, jedoch nicht über Europa oder Schweiz. Auch das Buch „Regenbogen, Licht und Schall“ habe ich gelesen.

Da ich keine Experimente mache, stelle ich mir einige Fragen:
1. Wie hoch sind die Spannung und die Stromstärke maximal, minimal und durchschnittlich bei einem Blitz?
2. Wie lange dauert ein Blitz maximal, minimal und durchschnittlich? Und die Hauptentladung?
3. Würde es ausreichen eine 80 Meter hohe Metallstange pro km2 hinzustellen um jeden Blitz abzufangen?
4. Hält die Metallstange diese Stromstärken aus (auch mit sehr kurzer zeitlicher Belastung)?
5. Was für Material würde sich eigenen um die Metallstange zu isolieren? Bzw. würde eine 5mm dicke Gummischicht reichen?
6. Würde man es schaffen diese Umwandlung von Blitz auf Super-Kondensatoren auf Akku?

Gruss Vincent

Microwave
 
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Re: Blitzenergie

Beitragvon Microwave » Mo 26. Dez 2016, 14:45

Ist zwar bloss eine Geschichte, aber hat einen wahren Kern, vielleicht hilft dir das etwas weiter:
http://www.b-kainka.de/drahtlos/kap2f.htm

Der Punkt ist, dass du das Laden deines Superkondensators oder deiner Akkumulatoren mit Blitzenergie so betrachten kannst, als würdest du einen Kondensator hoher Spannung über einen Widerstand in einen anderen Kondensator umladen wollen.
Je grösser der Spannungsunterschied ist, desto ineffizienter verläuft das Umladen, weil W=1/2 C*U^2. Anders ausgedrückt, wenn Ladung von A nach B fliesst, ist sie umso wertvoller, je grösser die Spannung bei B ist.
Für effizienten Energieeintrag müsstest du dafür sorgen, dass die Spannung am Auffangkondensator nach dem Blitzschlag so gross wie möglich ist. Wie "Drahtlos" das bereits angetönt hat, musst du dafür sorgen, dass der Blitz möglichst wenig Energie in Licht und Schall umwandelt, indem du mit z.B. 500 m hohen Blitzableitern den Blitz so früh wie möglich aus der Gewitterwolke ziehst, und ihm so wenig Luftstrecke wie möglich lässt.
Der maximale Wirkungsgrad beträgt bei gleicher Kapazität von Gewitterwolke (A) und Kondensator (B) 25%, siehe "Kondensatorproblem". http://www.jgiesen.de/Quiz/energy/energie.html (Wenn du nicht weiterkommst, auf "Loesung" klicken)
Das Kondensatorproblem kann umgangen werden, wenn du den Blitzstrom in eine (unmögliche ;) ) Speicherspule entlädst, und somit die Energie im Magnetfeld speicherst. Bedenke, dass deine Spule für den Strom im ersten Moment einen Unterbruch darstellt, weswegen die volle MV-hohe Blitzspannung an ihr anliegen wird.

Zur elektrischen Information über Blitze gib mal "Blitzstrom" "Statistik" im Google ein oder so.

Grüsse - Microwave
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LHfoto
 
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Re: Blitzenergie

Beitragvon LHfoto » Di 27. Dez 2016, 21:00

Vincent hat geschrieben:Hallo,

Ich werde meine Maturaarbeit im Themenbereich Physik erarbeiten. Unser Seminarthema lautet „Möglich-Unmöglich“. Wir Maturanten sollen versuchen heutige physikalische Erforschungen, welche wegen dem fehlenden Wissen oder den fehlenden Materialien nicht möglich sind, zu erforschen und sollen die Zukunft dieser Technologien vorauszusagen oder zumindest andeuten. Da es im Moment viele neue erneuerbare Energien gibt, welche grosse Fortschritte machen, habe ich mir gedacht, dass ich über die nutzbare Blitzenergie schreiben könnte.

Ich weiss, dass der Blitz eine sehr hohe Spannung und Stromstärke besitzt, jedoch über eine sehr kurze Zeit erfolgt. Deswegen hat ein Blitz nicht so viel Energie, welche man sich zuerst vorgestellt hat. Zudem weiss ich, dass es schwierig ist die Blitze zu orten und dann auch am richtigen Zeitpunkt an Ort und Stelle zu sein.

Deshalb möchte ich theoretisch versuchen die Energie der Blitze in Akkumulatoren einzuspeichern und dann gezielt zu nutzen. Hierfür habe ich mir gedacht, dass man die Parallelschaltung und Serienschaltung sich zu Nutze machen könnte. Man lässt den Blitz in eine Metallstange leiten, welche sich in mehrere kleinere Metallstangen teilt, dabei würde die Stromstärke geteilt werden. Für das Runterbrechen der Spannung würde man die Akkumulatoren hintereinander anbringen.

Oder man könnte die elektrische Energie in Super-Kondensatoren einspeichern (die lassen sich schneller aufladen als Akkumulatoren) und dann würde man langsam die Akkus auffüllen. Somit würde man die Blitzenergie kurzzeitig speichern und dann in den Akku einspeichern für eine längere Speicherung.

Damit meine Arbeit regional bleibt, habe ich mich entschieden den Kanton Freiburg und umliegende Gebiete zu untersuchen. Ich würde theoretisch in diesem grossen Gebiet jeden Kilometer eine Metallstange montieren und dann die Blitze über einem Jahr in diesen Akkumulatoren einspeichern. Natürlich müsste man aus finanzieller Sicht extrem viel für das Material (Akkus, Spuer-Kondensator, Stangen etc.), das Zusammenbauen und Aufbauen bezahlen.
Ich habe auch schon bei MeteoSchweiz Daten empfangen können und habe die Blitzdichte (Blitze pro km2 und pro Jahr) über die letzten 10 Jahre in diesem Gebiet ermitteln können. Ich habe auch schon das Buch „Lightning: Physics and Effects“ angefangen zu lesen, jedoch wird viel über die Vereinigten Staaten von Amerika gesagt, jedoch nicht über Europa oder Schweiz. Auch das Buch „Regenbogen, Licht und Schall“ habe ich gelesen.

Da ich keine Experimente mache, stelle ich mir einige Fragen:
1. Wie hoch sind die Spannung und die Stromstärke maximal, minimal und durchschnittlich bei einem Blitz?
2. Wie lange dauert ein Blitz maximal, minimal und durchschnittlich? Und die Hauptentladung?
3. Würde es ausreichen eine 80 Meter hohe Metallstange pro km2 hinzustellen um jeden Blitz abzufangen?
4. Hält die Metallstange diese Stromstärken aus (auch mit sehr kurzer zeitlicher Belastung)?
5. Was für Material würde sich eigenen um die Metallstange zu isolieren? Bzw. würde eine 5mm dicke Gummischicht reichen?
6. Würde man es schaffen diese Umwandlung von Blitz auf Super-Kondensatoren auf Akku?

Gruss Vincent

Hallo Vincent

Ich weiss nicht obs was hilft.
Habe kürzlich die Stauberen im Alpstein bestiegen dessen Gipfelkreuz aus einfachen Wasserrohren zusammengeschraubt ist. Blitzeinschläge sind gut sichtbar haben jedoch keine grössere Schäden hinterlassen. Der Querschnitt muss für die Stromstärke nicht besonders gross sein. Jedoch für 80m frei stehend wird wohl eher ein Turm benötigt der auch dem Gewittersturm stand hält. Hier ein Foto der Blitzeinschläge. Das Rohr wird wohl ca. 2 Zoll um Durchmesser haben. Der grosse Fleck hat 8mm Durchmesser auf der schmalen Seite. Lg lars

Bild

Vincent
 
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Re: Blitzenergie

Beitragvon Vincent » Fr 30. Dez 2016, 16:02

Hallo

@Microwave
Danke, aber ich bin leider nicht der Elektronik-Experte :)
Also kann man mit einem Akku trotzdem die Blitzenergie speichern. Jedoch ist diese Energie sehr gering, wenn ich das richtig verstanden habe. Aber ich dachte, dass man Akkus nur über längere Zeitspannen (Minuten bis Stunden) aufladen könne.
Dann wäre auch der Kondensator, wobei dieser eine hohen Spannung benötigt, um einen grossen Wirkungsgrad zu haben. Und dies soll man mit einem Bandgenerator machen? Oder ist der BG nur für die Gegenspannung (und somit fürs Anlocken) gedacht? Und müsste man diese hohe Spannung vor dem Blitz erzeugen und/oder bei der Energieübertraung auf den Akku?
Und die Speicherspule wäre auch eine Möglichkeit, jedoch eine magnetische Energiespeicherung.

@Lars
Danke,
Dann sind die Blitzeinschläge nicht so problematisch für grössere Metallstangen.

Gruss Vincent

Microwave
 
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Re: Blitzenergie

Beitragvon Microwave » Sa 31. Dez 2016, 02:14

Vincent hat geschrieben:Also kann man mit einem Akku trotzdem die Blitzenergie speichern. Jedoch ist diese Energie sehr gering, wenn ich das richtig verstanden habe.

Das geht, allerdings entspricht der Akku aus Sicht des Blitzes einem Kurzschluss, und ein einzelner Akku nimmt selbst bei unendlich kurzer Reaktionszeit vernachlässigbare Energie auf, eine Serieschaltung einer irrwitzigen Anzahl Akkus ist nötig, damit vernünftig Energie gespeichert werden kann:
Nimm an, dass eine Serieschaltung von 1000 Pb-Akkus eine Spannung von 12000 V habe. Bei einem kräftigen Blitz mit 10 ms Dauer und 80 kA kann die Serieschaltung eine Energie von 10 ms*12 kV*80 kA = 120 Vs*80 kA = 960 kVAs = 0.96 MJ aufnehmen. Damit läuft ein Staubsauger bei einer üblichen Leistungsaufnahme von 2 kW für 960000 J/(2 kW*3600000 J/kWh) = lediglich 8 Minuten (!).
Was ist das Problem? Weniger die kurze Blitzdauer als die miserable Anpassung der Blitzspannung an die Akkumulatorenspannung.
Nimm nun an, dass du richtig viel Geld, Assistenten und Platz hast: Schalte 50000 der Akkus in Reihe und nehme der Blitzentladung 0.6 MV ihrer gesamthaft vielleicht 15...20 MV betragenden Spannung weg. Nach gleicher Rechnung läuft der Sauger jetzt 50 mal länger, also immerhin knapp 7 h.
Die obige Rechnung geht davon aus, dass du es mit Wirkungsgrad 100% schaffst, die Gleichspannung von 0.012 bzw. 0.6 MV in die Sauger-Wechselspannung von 230 VAC zu transformieren und umzurichten. Ist der Umrichter-Wirkungsgrad bspw. 50%, dann läuft der Sauger im Beispiel mit den 0.6 MV eben nur 3.5 h.

Vincent hat geschrieben:Aber ich dachte, dass man Akkus nur über längere Zeitspannen (Minuten bis Stunden) aufladen könne.

Richtig, und auch nicht mit einem Strom von 10+ kA. Ein Akku wirkt wie eine ideale Spannungsquelle mit Innenwiderstand. Über dem Innenwiderstand des Akkus wird eine grosse Spannung entstehen: Eine Autobatterie mit 36 Ah und 360 A Startstrom hat einen Innenwiderstand von Ri = 12 V/360 A. Bei obigen 80 kA entstünde über einem Akku eine Spannung von 80 kA*12V/360 A = 2667 V. Bei Serieschaltung von Spannungsquellen addieren sich die Innenwiderstände und für 50000 Akkus wäre eine ungeheure Blitzspannung von 133 MV (!!!) erforderlich. Mehr als 132 MV fallen über dem Innenwiderstand ab und verursachen Verluste in Form von Wärme. Der Wirkungsgrad einer derartigen Akkuladung ist mit 0.6 MV*80 kA/133MV*80 kA = 0.6/133 = knapp 0.5% unterirdisch schlecht.

Vincent hat geschrieben:Dann wäre auch der Kondensator, wobei dieser eine hohen Spannung benötigt, um einen grossen Wirkungsgrad zu haben.

Der Einsatz von Kondensatoren ist in jedem Fall zu begrüssen. Akkumulatoren haben unzureichende Strombelastbarkeit, deutlich zu hohen Innenwiderstand, zu lange Ladezeiten, und allem voran eine VÖLLIG ungeeignete Spannung. Sie könnten allenfalls die Kondensatoren ergänzen, aber eher auf einem haushaltsüblichen Spannungsniveau.

Vincent hat geschrieben:Und dies soll man mit einem Bandgenerator machen?

Nein.

Vincent hat geschrieben:Oder ist der BG nur für die Gegenspannung (und somit fürs Anlocken) gedacht? Und müsste man diese hohe Spannung vor dem Blitz erzeugen und/oder bei der Energieübertraung auf den Akku?

Der Bandgenerator dient der Erzeugung der Gegenspannung. Allerdings weiss ich gerade nicht, ob diese virtuelle Erhöhung des Blitzableiters tatsächlich so funktionieren würde, die Drahtlos-Experimente sind ja teilweise erfundene Geschichten.
Diese Spannung müsste solange bereitgestellt werden, bis der Blitzeinschlag einen leitfähigen Luftkanal zwischen Wolke und Erde erzeugt hat. Der spannungsführende Pol der am Blitzableiter angeschlossenen Akkus/Kondensatoren/Speicherspulen ist auf dem gleichen Potential wie diese Gegenspannung.

Vincent hat geschrieben:Und die Speicherspule wäre auch eine Möglichkeit, jedoch eine magnetische Energiespeicherung.

Genau, es ist zu überlegen, was gescheiter wäre. Bei einer Speicherspule hast du nach dem Blitzschlag zig kA in dieser fliessen (und eine hohe Anfangsspannung drüber). Du müsstest eine Umwandlungsschaltung realisieren, die mit zig kA Eingangsstrom zurecht kommt. Da in der Spule der Strom nicht schlagartig ändern kann, müsste die Umwandlungsschaltung unendlich schnell in Serie mit der Spule geschaltet werden.

Grüsse - Microwave
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Vincent
 
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Re: Blitzenergie

Beitragvon Vincent » So 1. Jan 2017, 20:26

@Microwave

Danke für deine Antworten. Und wie könnte man dann den Superkondensator auf eine hohe Spannung bringen? (Damit viel Energie gespeichert wird)

Gruss Vincent

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Re: Blitzenergie

Beitragvon Microwave » So 1. Jan 2017, 23:45

Indem man die Kapazität des Kondensators an die erwartete Ladungsmenge des Blitzschlags angleicht.
Beziehen wir uns auf mein Beispiel von oben, so ist die transportierte Ladungsmenge Q = I*t = 80 kA*10 ms = 800 As = 800 C.
Als Spannung möchten wir 0.6 MV, also ist Q = U*C = 0.6 MV*C. Es wird die Kapazität C = Q/U = 800 C/0.6 MV = 1.33 mAs/V = 1.33 mF.
Wenn der Blitz einschlägt, lädt er den Kondensator auf 0.6 MV auf. Die gespeicherte Energie ist dann 239.4 MJ, mit denen der Sauger theoretisch 1.39 Tage läuft. In den letzten Stunden läuft er aber mit nur noch sehr geringer Spannung; im Gegensatz zu Akkumulatoren ändert sich die Spannung über Kondensatoren wesentlich beim Blitzschlag.
Übrigens - Ein versehentlicher Kurzschluss dieses Kondensators aufgrund eines Anlagen- oder Schaltfehlers käme der Detonation einer Bombe gleich. :roll:

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Re: Blitzenergie

Beitragvon Vincent » Mo 2. Jan 2017, 23:02

Ok, aber spielt es eine Rolle ob es ein positiver oder negativer Blitz ist? Bei einer sehr hohen Metallstange ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch für ein positiver Blitz. Würde dann der Kondensator umgekehrt aufgeladen?

Gruss Vincent


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