闪电制氢

闪电制氢

董刚刚

格尔木西北水电新能源有限公司 青海省海西州格尔木市 810000

摘要：能源从古至今都是人类发展的命脉所在，从最初的生物能到化石能源再到目前大力发展的新能源都在一点一滴的改变着人们的生活，影响着社会的发展。闪电也是一种人类目前无法完全掌控并使用的可再生能源，本文讲述了如何将闪电过程中释放出的能量储存并加以利用。

关键词：能源，闪电，电解

第一章 绪论

1.1研究的目的及意义

从人类学会了使用火开始，人类的发展就与能源产生了密不可分的联系，随着人类对能源的探索、发现和使用，人类社会也随之进步。人类的发展离不开能源，但人类高速发展过度开采了化石能源，目前全球化石能源的储存量在逐年递减，进入21世纪，全世界能源危机愈演愈烈。

根据2021年BP世界能源统计，化石燃料所释放的能量在一次能源供应中约占87%，其中石油占33.6%，煤炭占29.6%，天然气占23.8%。2012年在全球范围，探明石油储量1888亿吨，煤炭储量86094亿吨，天然气储量187.1万立方米，按目前的消费水平计算石油仅供开采43.4年，煤炭仅供开采121.1年，天然气仅供开采59年。不难看出化石能源在全球范围内逐渐枯竭，新能源的开发和利用迫在眉睫。

1.2持续开发新能源

目前全球开发的新能源主要有太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等。随着太阳能、风能开发技术的愈发成熟，也被越来越多的国家普及，但太阳能、风能的间歇性任然是目前存在的科学难题。

闪电也是地球上存在的一种可再生新能源，因其开发技术难度大，破坏性强，所以很少有人问津。

第二章 闪电

2.1闪电的发生过程

闪电是云与云之间、云与地之间或者云体内各部位之间的强烈放电现象（一般发生在积雨云中）。

积雨云通常产生电荷，底层为阴电，顶层为阳电，而且还在地面产生阳电荷，如影随形地跟着云移动。正电荷和负电荷彼此相吸，但空气却不是良好的传导体。正电荷奔向树木、山丘、高大建筑物的顶端甚至人体之上，企图和带有负电的云层相遇；负电荷枝状的触角则向下伸展，越向下伸越接近地面。最后正负电荷终于克服空气的阻障而连接上。巨大的电流沿着一条传导气道从地面直向云涌去，产生出一道明亮夺目的闪光。这就是人们常说的闪电。

2.2闪电的频率

世界各地每秒钟约发出600次闪电，其中有100次袭击地球。

乌干达首都坎帕拉和印尼的爪哇岛，是最易受到闪电袭击的地方。据统计，爪哇岛有一年竟有300天发生闪电。而历史上最猛烈的闪电，则是1975年袭击津巴布韦乡村乌姆塔里附近一幢小屋的那一次，当时死了21个人。

2.3闪电的特性

一次闪电的冲击电流，一般是5K～50kA（最高曾有过300kA的记录）；一次闪电的持续时间，大约是5～10μs；在闪电的路径上，按直线距离计，每米的雷击电压大约是3000kV（也有研究报告说该电压可高达100000kV）；一次闪电的路径长度最大可达16kM。而一个16kM长的闪电,两端电压高达48 000 000KV。假如这次闪电持续了10μs，若能将其所释放的能量储存并变换为市电的话，足够一户普通居民家庭使用一个月有余。

第三章 闪电的开发利用

3.1如何利用闪电

虽然发生一次闪电能够释放很多能量，但是每次发生闪电产生的能量极不稳定，并且闪电释放能量时间非常短大约是5～10μs，很难直接利用。本文利用闪电的特性，通过避雷针将闪电引入地下，在引入地下的中间环节增加电解水系统产生氢气和氧气供人们使用。

3.2电解水

电解就是借助直流电的作用，将溶解在水中的电解质分解成新物质的过程。电解水就是将水分子电解解离，直流电负极产生氢气和正极产生氧气。

负极反应：

电解液中的 （水电离后产生的）受负极的吸引向负极移动，接受电子析出氢气，其放电反应为：

正极反应：

电解液中的 受正极的吸引向正极移动，最后放出电子生成水和氧气，其放电反应为：

图一：电解水反应

水电解的总反应式为：

但水的电离度很小，导电能力低，是一种弱电解质，难以电离，需要加入强电解质，增加溶液的导电能力，使得水能够顺利电解成为氢气和氧气。（电解水时一般加入强电解质 ）

3.3利用闪电电解水制氢

建设引雷装置（即：避雷针），将雷电引导至已建成的电解槽，引雷装置作为电解槽负极。电解槽下方埋设接地网，接地网通过导线与电解槽正极相连，当发生闪电时引雷装置将闪电引导至电解槽，再通过电解槽流入地下，此时流过电解槽中的闪电电流电解电解槽中的水，产生氢气和氧气，因为水为弱电解质不易被电解，所以电解水中必须添加强电解质。每次发生闪电，闪电电流经过电解槽就完成了水的电解。

图二：闪电电解水原理

3.4开发闪电电解水制氢的优势

1. 随着化石能源的日渐枯竭，可再生能源的开发是社会发展的必然条件。闪电为可再生能源，并且每次闪电都蕴含巨大能量，很具有开发优势。

2. 电解水制氢的整个过程中主要原材料为纯水，对环境没有污染，且电解水厂的整个建设过程对环境的污染也比较少。

3. 与其他新能源发电技术相比，虽然有很明显的间歇性，但电解水系统是独立存在的，不会对其他系统造成影响。

4. 电解水产生的氢气是清洁燃料，整个燃烧过程清洁无污染，燃烧后的产物为水。

5. 电解水产生的氧气可供医院、工业等使用。

6. 电解水系统的引雷装置可以减少雷电对高大建筑物的攻击。

7. 与普通电解水相比不需要采用市电。

总结：闪电作为清洁能源，且每次发生闪电都会释放巨大能量，开发利用闪电可以对目前解决能源危机添砖加瓦。闪电发生时间短、释放的能量大难以掌控，通过闪电产生的电流电解水，是目前开发闪电的一个突破口。虽然开发利用闪电电解水项目对环境及地理位置的要求比较高，且间歇性比较长，但随着人类科学的进步以及对闪电的研究和掌握，人类最终会合理安全的开发闪电。