03.04 人類為什麼不從閃電中獲取電能?

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閃電中的確蘊含著巨大的能量。據科學家測算,閃電周圍局部可以產生15000~20000℃的高溫,閃電電場強度平均可以達到上千伏/釐米,局部區域可以高達10000+伏/釐米,如此強大的電場可以將空氣電離擊穿,這也是閃電放電的原因。

一道普通閃電平均的電功率大約是10億瓦,閃電放電時間大約在0.2~0.3秒左右,因此我們不難算出一道閃電平均釋放的能量約為10億瓦×0.2秒≈2億焦耳,大概相當於60度電。如果能將地球上的閃電全部利用起來,所產生的經濟效益的確是非常可觀的。但是,使用閃電能在技術上還是存在很多困難,目前的技術水平還無法能夠有效利用閃電能的程度,主要原因有兩個:

主要原因是因為雷電現場發生太過隨機,無論是在時間上,還是在空間上,人們都無法預測。而且人們看到的他大多數閃電都是雲間的閃電,根本無法利用,只有很小一部分是釋放到地面的閃電。如果你在城市某座大樓的樓頂安裝了一個雷電收集裝置,也許一年到頭來也收集不了多少雷電。

其次,雷電的特點在瞬間產生高電壓和高電流,持續的時間非常之短。不像太陽能或者風能,溫和但能夠持續。如果直接將雷電併入電網的話,會對電網產生衝擊,破壞電力設備。所以如果要將雷電收集並且併網的話,還得加裝整流變壓等電力設施,這些設施都是非常昂貴的。前面已經說了,由於雷電的隨機性,一臺雷電收集裝置一年其實到頭來也收集不了多少雷電的。到頭來,為了裝這些昂貴的電力設施外加上人工維護費用,是得不償失的。

所以,閃電至少是目前為止無法作為人類的獲取能源的途徑。


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雷電是常見的自然現象,主要是因為雲中的顆粒相互之間發生碰撞和摩擦積累的電荷,由於電荷的不斷積累,電場強度不斷增加,最後擊穿空氣間隙所引起的一種放電現象。但具體的成因還在研究之中,沒有一個定論。

據統計,每年大約會發生10.4億次閃電。大約75%的放電出現在雲間和雲內,只有25%的閃電是雲地之間的放電。


閃電的電壓可達上百萬伏到上億伏,電流可達數萬安培,功率可達上千萬瓦。但它的持續時間只有數十微秒(10∧-6秒),釋放的電能約數千千瓦時,相當於幾千個1千瓦電爐開啟1小時消耗的電能。筆者家裡大約每月用電300千瓦時,一次閃電就釋放的能量就可供筆者家中5~10個月使用。



那麼,我們可以利用雷電來發電嗎?

答案是不可能,至少100年內是不行的。原因如下:

雷電發生的地地點是不固定的,為了收集這些雷電,需要在世界各地修建數億的引雷裝置。這些裝置必須能夠抵抗得住雷電巨大的功率。這使得雷電收集系統的成本非常高昂。而且由於一個地方的雷電發生頻率非常低,很可能一年才能收集到一個閃電釋放的能量。即使全部能轉換成電能賣出去,收入也就幾百到千餘元。

圖:變電站內的避雷針



雷電發生的時間、強度、地點非常的隨機,不利於電網保持穩定。雷電電流的頻率、電壓、電流非常高,對電力系統的衝擊非常大。事實上,雷電的電流對電力系統只有破壞作用。每年由於雷擊造成的電力系統的損失至少有上億元。每年電力系統花在防雷擊的資金至少有上億元。

圖:安裝在線路上的避雷器

所以,利用雷電來發電是一個不現實的事情。


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從閃電中獲取電能的想法確實腦洞夠大,但之所以人類一直以來沒有建造起“閃電發電站”,是因為這麼做實際是不可行的。

閃電的能量釋放非常巨大,一道閃電可以把周圍的空氣加熱到2.7萬度,相當於太陽表面溫度的5倍。巨大的熱量使得空氣以相當快的速度膨脹和振動,由此發出了隆隆的雷聲。

據估計,全球各地每年出現閃電的次數可達14億次。每道閃電釋放出的能量約為10億焦耳,相當於280千瓦時的電量,這足夠讓一盞30瓦的燈泡用上一年。因此,全球閃電一年產生的能量可達140億億焦耳,相當於3900億千瓦時。

不過,更多的閃電是出現在雲層中,這部分佔比可達四分之三,而只有四分之一的閃電能到達地面。如果能夠捕捉到所有的地面閃電,所能得到的最大電量為980億千瓦時。相比之下,人類目前全年使用的總電量約為30萬億千瓦時,所以地面閃電最多隻能提供人類所需電量的0.3%。考慮到效率不可能達到100%,通過閃電產生的電量還會更低。

閃電的出現是隨機的,並不是某個地方一直會出現閃電。想要捕獲全球的閃電非常困難,除非要安裝密度相當高的接收裝置,但這樣做顯然是不現實的,成本實在太高了。

另一方面,每道閃電會在短時間(僅30毫秒)之內釋放出巨大的能量,接收裝置需要能夠承受巨大的瞬時功率,這在現階段也是做不到的。

因此,雖然閃電的能量巨大,但人類很難有效地從閃電中獲取電能。與其用閃電,還不如用太陽能,想辦法提高光電轉換效率才更加切實際。


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閃電是一種劇烈且突然的靜電放電現象,大氣中的兩個帶電區域在雷暴期間通過放電達到電均衡,是這一現象的成因。閃電的能量固然大,但是閃電的持續時間太短,平均持續時間為0.2秒,期間由大約60左右的短的閃電脈衝組成,每次持續70微秒。

即使經過數百年的科學研究,閃電的仍然相對不可預測,這限制了它成為能量來源的可行性,如果花了大量的錢建設了閃電電站,但每年總共就被就用那麼幾分鐘,是不是很不經濟?


閃電在全球的分佈不是均勻的,地球上閃電的發生頻率大約是每秒44(±5)次,或每年近14億次,許多因素會影響世界特定地區典型閃電的頻率、分佈、強度和物理特性。這些因素包括地面高程、緯度、盛行風流、相對溼度,接近溫暖和寒冷的水體等,因此要採用閃電做能源就必需為每個採集地點做非常不同的設計,這提高了閃電電站的建造成本。

上圖:全球1995-2003閃電年平均數據。


所以,從閃電中獲得電能是科學可行的,但要以高性價比地獲取閃電的電能顯得有點不經濟不現實因此也不科學了,因為科學還要考慮到實現的科學性,考慮這個問題的學科叫做工程學。

上圖:火山噴發形成的閃電


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人類為什麼不能從閃電中獲取電能?主要原因是,現階段,人類的科技還製造不出功率足夠強大的蓄電池。一個普通雷電的電能,就夠世界上用上一年。世界上每年使用的電能是多少?應該是萬億級別的千瓦.時吧?也就是萬億級別的電度量。要儲存萬億度電的電能,這種電池是什麼概念呢?就拿一個12伏普通蓄電池來說,一個普通的12伏的蓄電池,規格大約是20(釐米)×10(釐米)×6(釐米),電量夠一個8瓦燈泡使用1小時,電度量為8/1000千瓦.時。1200立方厘米的電池儲電量僅為0.008度。把20(釐米)×10(釐米)×6(釐米)的電池放大1000倍,電池就變成200(釐米)×100(釐米)×60(釐米)的規格,換算成米為單位,就是2米×1米×0.6米=1.2立方米,這樣1.2立方米的電池只能儲存8度電,就算計算有誤差,一個1立方米的電池儲存的電量也不會超過100度,儲存萬億級別的電度,這樣的電池的體積是什麼概念?我是想象不出,就算我們能解決瞬間放電的問題,但象這樣體積天文數字級別的電池,現階段那是想都不會去想的事情。





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閃電不是電能,就像火不是化學能一樣。火是化學能釋放後轉化成了光和熱,閃電也是電能釋放之後產生的現象。

從閃電中獲取電能,那就已經晚了。閃電是光和熱,這些能量形式很難有效利用,何況還在高空。電能是看不到,聽不到的,它隱藏在帶電的雲層中,一旦釋放成閃電,能量形式就會大打折扣。


這和化學能是一樣的,我們可以把化學能儲存在煤氣中,輸送到千家萬戶做飯燒水。可是我們不能提前把煤氣燒了,釋放出光和熱,然後把光和熱輸送到千家萬戶。

想要利用閃電的電能,如果直接把帶電的雲層儲存下來,難度太係數大。那麼有沒有其它有效的電能儲存方式?答案是否定的,水電,風電都是即發即用,如果發電太多,多餘的電能就會被浪費,因為沒有合適的儲存方式。



閃電不是電能,不要試圖從閃電中獲得電能。即使我們能有效地儲存帶電雲層的電能,還不如用來儲存浪費掉的水電和風電。


飛魚科普


閃電是一種短時間釋放的巨大的能量,

在雷雨天氣,冷熱空氣交鋒,天空中氣象變化太複雜,各種物理量也是瞬息萬變,可能突然間形成的某個電阻低的通路被瞬時擊穿,形成了放電。

我們在實際觀察中可能只是看到了一道閃電,實際上由於形成了電離層,後續還會繼續放電,可能間隔太短。

閃電的特點:

1 電流很大 估計在40kA~80kA

2 持續放電的時間很短

3 放電的通路是不可預測的。

針對上述三個特點

1 電流很大,要想接受閃電電流需要的電氣設備的造價成本會非常非常大

2 時間短,說明能量源不是持續的

3 即使前面兩個問題都解決了,我們的閃電收集裝置放在哪裡也是個問題。


大卜老師


不是不可以,是閃電得隨機性太高,不太容易捕捉,即便捕捉到,瞬間能量過高,無法存儲。總的來說就是經濟行不足,可操作性不高,不賺錢的事誰願意做。你聽說過富蘭克林捕捉過閃電,那其實是假的,不過真的有人那麼做過。BBC有記錄片《電的故事》,相當精彩。自己去看


法無定法8


閃電的能量不易獲得,並且極不穩定,使用價值不大。


光量子宇宙


現在問題就是人類在創造地震,避雷針把超強雷電打入地下,等於讓異能入地干擾了地球本身運行狀態,不地震才怪呢!


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