为什么不从天空引雷电利用？ 第1页

这个问题太有意思了！

为什么不从天空引雷电利用？我看到大家从预测难度、绝缘难度、安全性等角度说了很多，不过要考虑为什么不引雷电利用，我认为比起技术难度来，也可以先考虑雷电到底有多少能量。万一能量很大经济性很强的话，我们肯定也可以去克服技术难题嘛。

关于雷电的能量，网上众说纷纭，有的说一个雷的能量相当于几千克石油的，也有说一个雷的能量够北京市用两年的。这数量级相差也太多了，到底哪种靠谱呢？

这年头，网上的资料谁都别轻信，还是自己算最靠谱！

想要计算的话，最好用专业的参考资料，推荐选用大学电气工程及其自动化专业的教科书《高电压技术》，这本书中对雷电有系统的讲解，还提供了较详细的数值模型。

OK，开启我们的计算之旅，赶快上车吧。

只考虑常规雷电的话，雷电对地放电的过程可分为三个阶段，分别是：

（1）先导放电；（2）主放电；（3）余辉放电。

首先是（1）先导放电，作用是铺路，建立雷电通道。

如果要利用雷电，那么用的就是空中的雷云对地放电的能量。

通常雷云的上部带正电荷，下部带负电荷（据统计，负电荷形成的负极性雷电占总数的75~90%），这些聚集在下部的负电荷在附近地面感应出大量正电荷，当雷云与大地局部电场强度达到大气游离所需的电场强度（约25~30kV/cm）时，就会使空气游离，形成先导放电通道。

先导放电建立导电通道的过程有点像“扭秧歌”，每一步都挺快，但走一步，歇一会，整体就非常慢了（100~800km每秒），只有光速的千分之一左右，这个过程持续0.05~0.01秒。

先导放电的瞄准对象，通常是地面上高耸突出物体，这些物体周围电场强度比较大，所以会在先导接近地面时出现向上的迎面先导（所谓的热烈欢迎？？）。

也因此我们雷雨天要避开大树、避雷针等尖锐高大物体，记住哦。

关于能量方面，这个阶段电流比较小，能量相对于估算整体放电过程来说可以忽略不计。

然后是（2）主放电：主要的雷击放电过程。

在先导放电阶段建立了平坦通畅的放电路径之后，电荷就可以畅通无阻地飞驰了，同时游离产生的先导放电通道中，负电的电子向下运动流向大地，正离子向上运动中和先导通道中的负电荷，这样的大量电荷流动形成主放电过程。此时出现非常大的脉冲电流，产生强烈的光和热，使空气急速膨胀震动，这就是我们看到的闪电和听到的雷声。

主放电过程的发展速度非常高，约 ，比起前面的“扭秧歌”可是快了几百甚至上千倍。

相应地，这个阶段持续时间极短，一般不超过100μs（微秒）。但是电流非常大，峰值高达几十甚至上百千安，之后衰减形成雷电流冲击波形。

我们选择最简单的（b）波形计算吧，虽然这样会导致能量偏大，但数量级并不会错。

上图为雷击等效电路，主放电阶段的电流计算公式为：

其中 是对0电阻通路的雷电流值，几十到上百kA，我们将峰值取大些，算100kA吧，顺便说一下这么大的雷电流并不常见；参数 是沿着雷击通道运动的电压波与电流波的比值，有关规程建议取300~400Ω，这里我们按350Ω估算； 是被击物的波阻抗，设被雷击物体末端电压为零，承接全部能量（按纯热量估算），用能量计算公式 并将积分号内部对 求导可以计算出，被击物体取 可以得到最大的电击能量，所以也是取350Ω。

斜角部分放电时间取典型值2.6μs，可得能量为3039千焦，相当于0.8kWh。平顶部分时间按最大的100μs计算，计算可得能量为87500千焦，相当于24.3kWh。此阶段过程能量合计0.8+24.3=25.1kWh。

因为选用的平顶波，能量已经高估了，实际上还得打折哦。

最后，是（3）余辉放电阶段：剩余电荷发挥余热。

这个阶段是云的剩余电荷沿着主放电通道继续流向大地的过程，电流比之前小很多，只有10~1000A左右，持续时间大概在0.03~0.05秒。

实际上是指数衰减的，为了简单我们按直线计算（这样结果偏大），从1000A衰减到0，时间取0.05秒，那么结果大约为5845千焦，相当于1.6kWh。

综上所述，收集一个典型的雷击所携带的能量大概有 25.1+1.6=26.7kWh 这么多，假设我们技术超凡绝伦、无比先进，以100%利用率地捕捉到了这些能量，而且能转换为市电的话，也就是26.7度电而已，按每度电0.5元计算的话，相当于电费13.4元，注意这个还是偏高的数值，实际上同样还要打折才是。

嗯，打一个雷只有不到13.4元，雷神你放电的这一锤子还不如装修师傅贵呢。。。

为啥？因为 能量=功率*时间 （当然，实际上是功率对时间的积分）。雷电的功率确实非常高，但持续时间短得离谱，所以总体的能量并不高。很简单的道理！

有人又会说了，蚊子腿也是肉啊，万一雷神是个打架子鼓的呢，如果人家一口气“咚咚咚咚”地打好多雷，不也很有经济价值吗？

那么我们再算算雷的数量问题。

衡量雷电数量有个参数叫做“地面落雷密度”，用于计算在一个雷暴日（只要这天打雷就算雷暴日）中，每平方公里地面上的平均落雷次数。这个值与地区有关，以长江流域附近每年雷暴日40天左右为例，地面落雷密度大约是0.07。

那么想要充分吸收这些雷的话，需要引雷的设备。我们假设用避雷针，那么需要多少避雷针呢？

关于避雷针的有效范围（保护半径）问题，书中给出了计算公式，简单来说是避雷针高度的1~1.5倍左右，保护对象越低，保护范围越大。为了方便，我们将保护对象按地面（高度为0）计算吧，避雷针高度选用超高的120米，其保护半径也是120米，那么以正六边形密铺的方式计算（合每个避雷针保护3.74万平米的面积），那么平均每平方公里需要大约26.7个避雷针。

有这么多避雷针，才能获得在每个雷暴日每平方公里获得0.07个雷的能量收获，假如都100%地转换为居民用电的话，相当于 每平方公里，全年，可节省电费，多达，37.5元…

说真的，就算刷一小时盘子可能比这个赚的都多（这句话已修正，感谢网友指出 ^_^ ）。

到这里我们明确了：

（1）单次雷击的能量并没有多大；

（2）雷击的密度也并不大。

因此，即使不考虑技术和安全性，我们利用雷电仍然是非常不经济的事情。难怪我们并不准备从天空引雷电利用了！

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