03.04 人类为什么不从闪电中获取电能?

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闪电中的确蕴含着巨大的能量。据科学家测算,闪电周围局部可以产生15000~20000℃的高温,闪电电场强度平均可以达到上千伏/厘米,局部区域可以高达10000+伏/厘米,如此强大的电场可以将空气电离击穿,这也是闪电放电的原因。

一道普通闪电平均的电功率大约是10亿瓦,闪电放电时间大约在0.2~0.3秒左右,因此我们不难算出一道闪电平均释放的能量约为10亿瓦×0.2秒≈2亿焦耳,大概相当于60度电。如果能将地球上的闪电全部利用起来,所产生的经济效益的确是非常可观的。但是,使用闪电能在技术上还是存在很多困难,目前的技术水平还无法能够有效利用闪电能的程度,主要原因有两个:

主要原因是因为雷电现场发生太过随机,无论是在时间上,还是在空间上,人们都无法预测。而且人们看到的他大多数闪电都是云间的闪电,根本无法利用,只有很小一部分是释放到地面的闪电。如果你在城市某座大楼的楼顶安装了一个雷电收集装置,也许一年到头来也收集不了多少雷电。

其次,雷电的特点在瞬间产生高电压和高电流,持续的时间非常之短。不像太阳能或者风能,温和但能够持续。如果直接将雷电并入电网的话,会对电网产生冲击,破坏电力设备。所以如果要将雷电收集并且并网的话,还得加装整流变压等电力设施,这些设施都是非常昂贵的。前面已经说了,由于雷电的随机性,一台雷电收集装置一年其实到头来也收集不了多少雷电的。到头来,为了装这些昂贵的电力设施外加上人工维护费用,是得不偿失的。

所以,闪电至少是目前为止无法作为人类的获取能源的途径。


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雷电是常见的自然现象,主要是因为云中的颗粒相互之间发生碰撞和摩擦积累的电荷,由于电荷的不断积累,电场强度不断增加,最后击穿空气间隙所引起的一种放电现象。但具体的成因还在研究之中,没有一个定论。

据统计,每年大约会发生10.4亿次闪电。大约75%的放电出现在云间和云内,只有25%的闪电是云地之间的放电。


闪电的电压可达上百万伏到上亿伏,电流可达数万安培,功率可达上千万瓦。但它的持续时间只有数十微秒(10∧-6秒),释放的电能约数千千瓦时,相当于几千个1千瓦电炉开启1小时消耗的电能。笔者家里大约每月用电300千瓦时,一次闪电就释放的能量就可供笔者家中5~10个月使用。



那么,我们可以利用雷电来发电吗?

答案是不可能,至少100年内是不行的。原因如下:

雷电发生的地地点是不固定的,为了收集这些雷电,需要在世界各地修建数亿的引雷装置。这些装置必须能够抵抗得住雷电巨大的功率。这使得雷电收集系统的成本非常高昂。而且由于一个地方的雷电发生频率非常低,很可能一年才能收集到一个闪电释放的能量。即使全部能转换成电能卖出去,收入也就几百到千余元。

图:变电站内的避雷针



雷电发生的时间、强度、地点非常的随机,不利于电网保持稳定。雷电电流的频率、电压、电流非常高,对电力系统的冲击非常大。事实上,雷电的电流对电力系统只有破坏作用。每年由于雷击造成的电力系统的损失至少有上亿元。每年电力系统花在防雷击的资金至少有上亿元。

图:安装在线路上的避雷器

所以,利用雷电来发电是一个不现实的事情。


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从闪电中获取电能的想法确实脑洞够大,但之所以人类一直以来没有建造起“闪电发电站”,是因为这么做实际是不可行的。

闪电的能量释放非常巨大,一道闪电可以把周围的空气加热到2.7万度,相当于太阳表面温度的5倍。巨大的热量使得空气以相当快的速度膨胀和振动,由此发出了隆隆的雷声。

据估计,全球各地每年出现闪电的次数可达14亿次。每道闪电释放出的能量约为10亿焦耳,相当于280千瓦时的电量,这足够让一盏30瓦的灯泡用上一年。因此,全球闪电一年产生的能量可达140亿亿焦耳,相当于3900亿千瓦时。

不过,更多的闪电是出现在云层中,这部分占比可达四分之三,而只有四分之一的闪电能到达地面。如果能够捕捉到所有的地面闪电,所能得到的最大电量为980亿千瓦时。相比之下,人类目前全年使用的总电量约为30万亿千瓦时,所以地面闪电最多只能提供人类所需电量的0.3%。考虑到效率不可能达到100%,通过闪电产生的电量还会更低。

闪电的出现是随机的,并不是某个地方一直会出现闪电。想要捕获全球的闪电非常困难,除非要安装密度相当高的接收装置,但这样做显然是不现实的,成本实在太高了。

另一方面,每道闪电会在短时间(仅30毫秒)之内释放出巨大的能量,接收装置需要能够承受巨大的瞬时功率,这在现阶段也是做不到的。

因此,虽然闪电的能量巨大,但人类很难有效地从闪电中获取电能。与其用闪电,还不如用太阳能,想办法提高光电转换效率才更加切实际。


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闪电是一种剧烈且突然的静电放电现象,大气中的两个带电区域在雷暴期间通过放电达到电均衡,是这一现象的成因。闪电的能量固然大,但是闪电的持续时间太短,平均持续时间为0.2秒,期间由大约60左右的短的闪电脉冲组成,每次持续70微秒。

即使经过数百年的科学研究,闪电的仍然相对不可预测,这限制了它成为能量来源的可行性,如果花了大量的钱建设了闪电电站,但每年总共就被就用那么几分钟,是不是很不经济?


闪电在全球的分布不是均匀的,地球上闪电的发生频率大约是每秒44(±5)次,或每年近14亿次,许多因素会影响世界特定地区典型闪电的频率、分布、强度和物理特性。这些因素包括地面高程、纬度、盛行风流、相对湿度,接近温暖和寒冷的水体等,因此要采用闪电做能源就必需为每个采集地点做非常不同的设计,这提高了闪电电站的建造成本。

上图:全球1995-2003闪电年平均数据。


所以,从闪电中获得电能是科学可行的,但要以高性价比地获取闪电的电能显得有点不经济不现实因此也不科学了,因为科学还要考虑到实现的科学性,考虑这个问题的学科叫做工程学。

上图:火山喷发形成的闪电


小宇堂


人类为什么不能从闪电中获取电能?主要原因是,现阶段,人类的科技还制造不出功率足够强大的蓄电池。一个普通雷电的电能,就够世界上用上一年。世界上每年使用的电能是多少?应该是万亿级别的千瓦.时吧?也就是万亿级别的电度量。要储存万亿度电的电能,这种电池是什么概念呢?就拿一个12伏普通蓄电池来说,一个普通的12伏的蓄电池,规格大约是20(厘米)×10(厘米)×6(厘米),电量够一个8瓦灯泡使用1小时,电度量为8/1000千瓦.时。1200立方厘米的电池储电量仅为0.008度。把20(厘米)×10(厘米)×6(厘米)的电池放大1000倍,电池就变成200(厘米)×100(厘米)×60(厘米)的规格,换算成米为单位,就是2米×1米×0.6米=1.2立方米,这样1.2立方米的电池只能储存8度电,就算计算有误差,一个1立方米的电池储存的电量也不会超过100度,储存万亿级别的电度,这样的电池的体积是什么概念?我是想象不出,就算我们能解决瞬间放电的问题,但象这样体积天文数字级别的电池,现阶段那是想都不会去想的事情。





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闪电不是电能,就像火不是化学能一样。火是化学能释放后转化成了光和热,闪电也是电能释放之后产生的现象。

从闪电中获取电能,那就已经晚了。闪电是光和热,这些能量形式很难有效利用,何况还在高空。电能是看不到,听不到的,它隐藏在带电的云层中,一旦释放成闪电,能量形式就会大打折扣。


这和化学能是一样的,我们可以把化学能储存在煤气中,输送到千家万户做饭烧水。可是我们不能提前把煤气烧了,释放出光和热,然后把光和热输送到千家万户。

想要利用闪电的电能,如果直接把带电的云层储存下来,难度太系数大。那么有没有其它有效的电能储存方式?答案是否定的,水电,风电都是即发即用,如果发电太多,多余的电能就会被浪费,因为没有合适的储存方式。



闪电不是电能,不要试图从闪电中获得电能。即使我们能有效地储存带电云层的电能,还不如用来储存浪费掉的水电和风电。


飞鱼科普


闪电是一种短时间释放的巨大的能量,

在雷雨天气,冷热空气交锋,天空中气象变化太复杂,各种物理量也是瞬息万变,可能突然间形成的某个电阻低的通路被瞬时击穿,形成了放电。

我们在实际观察中可能只是看到了一道闪电,实际上由于形成了电离层,后续还会继续放电,可能间隔太短。

闪电的特点:

1 电流很大 估计在40kA~80kA

2 持续放电的时间很短

3 放电的通路是不可预测的。

针对上述三个特点

1 电流很大,要想接受闪电电流需要的电气设备的造价成本会非常非常大

2 时间短,说明能量源不是持续的

3 即使前面两个问题都解决了,我们的闪电收集装置放在哪里也是个问题。


大卜老师


不是不可以,是闪电得随机性太高,不太容易捕捉,即便捕捉到,瞬间能量过高,无法存储。总的来说就是经济行不足,可操作性不高,不赚钱的事谁愿意做。你听说过富兰克林捕捉过闪电,那其实是假的,不过真的有人那么做过。BBC有记录片《电的故事》,相当精彩。自己去看


法无定法8


闪电的能量不易获得,并且极不稳定,使用价值不大。


光量子宇宙


现在问题就是人类在创造地震,避雷针把超强雷电打入地下,等于让异能入地干扰了地球本身运行状态,不地震才怪呢!


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