專利名稱：靜電場可逆原理發(fā)電的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)型電氣體發(fā)電裝置，特別是一種靜電場可逆原理發(fā)電。適合于從各種熱源(如，等離子體、核能、化學(xué)能、太陽能等)中取熱直接發(fā)電。
現(xiàn)有的直接發(fā)電技術(shù)如電氣體發(fā)電(又稱電流體發(fā)電)，它是以高速熱流體(氣體或液體)為載體，運(yùn)載正電荷由低電位移向高電位的過程中消耗熱流體動(dòng)能，從而使熱能直接轉(zhuǎn)變成電能。其中的正電荷是由高壓啟動(dòng)電源對(duì)工作介質(zhì)直接電離產(chǎn)生的，因此在總發(fā)電量中就包含電離能，我們把這種機(jī)制叫做啟動(dòng)能量“復(fù)制”。以熱流體為能源，就會(huì)把熵引入系統(tǒng)而且一定是趨向增加，這是導(dǎo)致系統(tǒng)效率低下的直接原因。所以，電氣體發(fā)電裝置的熱效率只有50％左右。盡管，這種技術(shù)比傳統(tǒng)熱發(fā)電技術(shù)先進(jìn)，但依然存在著多種污染和熱能浪費(fèi)過半的嚴(yán)重后果，特別是在當(dāng)今世界能源危機(jī)日趨嚴(yán)重的今天，改進(jìn)技術(shù)提高效率就變得尤為重要。
分子物理學(xué)證明，任意分子(離子、電子)在空間至少有三個(gè)自由度，而熱傳遞只有一個(gè)方向，因此，賦予一維的能量充其量也只有1/3，余下2/3的能量份額并沒有發(fā)揮作用，這就是“熵”作用的實(shí)質(zhì)。可見，系統(tǒng)熵是熱幾率的產(chǎn)物，要在熱力學(xué)系統(tǒng)中消除它是不可能的，而提高效率又必須擯棄熵。解決這一矛盾的唯一途徑就是遠(yuǎn)離熱力學(xué)系統(tǒng)，或者說，不能通過純粹的熱力學(xué)系統(tǒng)達(dá)到提高熱效率的目的。
本發(fā)明的任務(wù)是要提供一種靜電場可逆原理發(fā)電技術(shù)，是把電氣體發(fā)電中的熱流體，改為由靜電場引起的電子流體，這樣就可以使系統(tǒng)遠(yuǎn)離熱力學(xué)系統(tǒng)，徹底避免熵的影響。為此，系統(tǒng)熱效率必然會(huì)大幅度提高。
本發(fā)明的任務(wù)是這樣實(shí)現(xiàn)的，在一真空容器中，真空容器壁就是熱源(Q)的傳熱表面，熱媒體(電子或等離子氣體)充滿了整個(gè)真空容器，在氣體中，還設(shè)置了熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)。熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，是由平行板靜電場來實(shí)現(xiàn)的即保守力作正功(A保守＞0)的過程。平衡態(tài)條件下，熱媒與熱源溫度(T0)相同，熱運(yùn)動(dòng)電子(e)在進(jìn)入熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后，在電場力作用下形成直線運(yùn)動(dòng)，而直線運(yùn)動(dòng)則意味著電子熱能(Eh)與電場力作功(Ae)的迭加，即所謂“熱電轉(zhuǎn)換”。發(fā)電系統(tǒng)是熱電轉(zhuǎn)換的逆過程即保守力作負(fù)功(A保守＜0)的過程，直線運(yùn)動(dòng)電子受到感應(yīng)電場的制動(dòng)，在直線運(yùn)動(dòng)方向上降速，此時(shí)電回路(負(fù)載)中就會(huì)有電流生成，即謂“發(fā)電”。而離開發(fā)電系統(tǒng)的電子末速度vK已經(jīng)很慢，故稱之為慢電子，根據(jù)熱傳遞定律，vK必須符合下面的關(guān)系才能達(dá)到傳熱的目的即meVK2/2＜3kT0/2(1)(1)式說明，微觀粒子直接碰撞傳熱表面獲得熱能量。
熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，是將電源電壓(UAB)連接到平行板A、B上形成平行板電場EAB，并與通過電場的單極性電荷(電子)構(gòu)成電回路。電極A的前面為平衡態(tài)電子氣，單位時(shí)間內(nèi)碰撞電極A上的微孔面積Sφ1的頻度E(/s·m2)E＝nv/4(2)n-帶電粒子密度(/m3)v-帶電粒子的平均速率(m/s)(2)式中，當(dāng)n足夠大時(shí)，單位時(shí)間里碰撞Sφ1的粒子數(shù)為一常數(shù)，當(dāng)Sφ1小到一定程度時(shí)，電子只能一個(gè)接一個(gè)地進(jìn)入電場并且在電場方向上一維順序排列即一維束。束中電子，都具有獨(dú)立的時(shí)間和空間這是高效率的唯一特征。下面給出，熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能量守恒關(guān)系為平衡態(tài)條件下電子的熱運(yùn)動(dòng)能量Eh(J)Eh＝3kT0/2(3)電子通過電場時(shí)電場力作功Ae(J)Ae＝eUAB(4)熱電轉(zhuǎn)換之后的電子能量E(J)E＝Ae+Eh＝eUAB+eUh＝e(UAB+Uh)＝eU(5)(5)式說明，電子通過電場后所攜帶的熱能量Eh即刻就轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔躤Uh。
熱是微觀粒子集團(tuán)行為的集合比如平衡態(tài)。因此，對(duì)微觀粒子而言，一旦從平衡態(tài)中被選出，熱行為也就隨之消失即粒子的能量形式由原來的3KT0/2轉(zhuǎn)變?yōu)閙eVh2/2＝eUh。所以，這種方式的熱電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到100％。
發(fā)電系統(tǒng)，是把由熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出的“電”再轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪?dǎo)線輸出的電，是根據(jù)靜電場的保守性即可逆原理實(shí)現(xiàn)的。由負(fù)載RL將平行板J、K電連接，并與通過平行板的直線運(yùn)動(dòng)電子構(gòu)成電回路。電子帶負(fù)電，在通過J極板(不接觸)的同時(shí)使其感應(yīng)帶正電，K極板帶負(fù)電。此時(shí)，平行板電場方向由J極板指向K極板，運(yùn)動(dòng)電子受到軸向反向電場力的作用開始在直線方向上降速，愈接近K極板電子速度愈慢，當(dāng)離開K極板時(shí)其能量Ek已經(jīng)很小，而負(fù)載RL上既有電流(IJK)通過又有電壓UJK生成。
由于發(fā)電回路中有負(fù)載RL或電阻的存在，“電”與電的轉(zhuǎn)換過程中，一定有能量損失，于是就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)換效率ηe。因此，發(fā)電系統(tǒng)總電功輸出A(J)A＝(E-Ek)×ηe(6)＝(Ae+Eh-Ek)×ηe凈電功輸出ΔA(J)ΔA＝A-Ae＝(ηeAe-Ae)+(Eh-Ek)×ηe(7)因?yàn)棣莈＜1，所以(ηeAe-Ae)＜0，這說明Ae的損失就必然由熱能(Eh-Ek)來補(bǔ)償以達(dá)到完全“復(fù)制”。于是，根據(jù)熱效率的定義，本發(fā)明的系統(tǒng)效率η
η＝ΔA/(Eh-EK)(8)＝ηe-(Ee/ΔEh)(1-ηe)(6)、(7)、(8)式給出了發(fā)電機(jī)中的能量分配關(guān)系和原則，Ae在系統(tǒng)中循環(huán)不止并且其總量始終不變，這說明系統(tǒng)具備高效率機(jī)制，又是一種新的能量循環(huán)方式。如何定義ηe將放在以后談，能量比(Ae/ΔEh)對(duì)提高系統(tǒng)效率作用不是很大，但在某種意義上卻是一種投入產(chǎn)出比，兩者愈接近系統(tǒng)凈輸出愈多，反之則反。
Ae遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ΔA，(比如在千倍以上)，假如發(fā)電機(jī)凈輸出容量為兆瓦(MW)數(shù)量級(jí)，此時(shí)所需要的啟動(dòng)功率已經(jīng)大到無法實(shí)現(xiàn)的地步，于是就產(chǎn)生了本發(fā)明的啟動(dòng)原理。將發(fā)電機(jī)進(jìn)行功率細(xì)化，分成若干個(gè)與啟動(dòng)功率相同的發(fā)電單元，首尾相接即由Ae將發(fā)電單元串聯(lián)起來。能量傳輸需要時(shí)間，這樣就可以通過時(shí)間的積累達(dá)到啟動(dòng)能量在系統(tǒng)中的積累。而凈功率輸出既可以串聯(lián)也可以并聯(lián)。
由于采用了上述技術(shù)方案，系統(tǒng)熱效率達(dá)到質(zhì)的飛躍，是一項(xiàng)無污染、無噪音、潔凈高效、長壽命低成本的熱發(fā)電技術(shù)。它的誕生，意味著將要告別一個(gè)落后的能源技術(shù)時(shí)代。
以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1是本發(fā)明的原理2是本發(fā)明啟動(dòng)原理3是一維束原理4是一維束電極結(jié)構(gòu)5是電場電極結(jié)構(gòu)放大中，1電極A、2電極B、3電極J、4電極K、5啟動(dòng)電源、6負(fù)載RL、7內(nèi)系統(tǒng)、8真空容器、9熱源、10熱媒、11發(fā)電單元、12電阻RL1、13啟動(dòng)-運(yùn)行轉(zhuǎn)換開關(guān)、14負(fù)載RL2、15一維束極板、16電絕緣體。
圖1是本發(fā)明原理圖，由A電極(1)、B電極(2)、啟動(dòng)電源(5)及一維束組成熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。發(fā)電系統(tǒng)由J電極(3)、K電極(4)、一維束、負(fù)載RL(6)組成。熱電轉(zhuǎn)換與發(fā)電系統(tǒng)組成內(nèi)系統(tǒng)(7)，而由熱媒(10)、熱源(9)及真空容器(8)共同組成外系統(tǒng)。內(nèi)外系統(tǒng)彼此隔離，但存在電聯(lián)系即真空容器(8)與A電極(1)均保持零電位，熱媒(10)只能從A電極(1)進(jìn)入，由K電極(4)輸出。下面通過對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算將會(huì)使原理更加清晰。
首先設(shè)定熱源(9)的熱量(Q→∞)無窮大，溫度恒定T0＝300K，并以電子為熱媒。平衡態(tài)條件下電子的熱運(yùn)動(dòng)速度vh(m/s)vh＝(3KT0/me)1/2＝1.168×105熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的計(jì)算過程設(shè)，啟動(dòng)電源UST＝2V；平行板A、B的間距d1＝0.001m。電場力FAB(N)FAB＝eUAB/d1＝3.204×10-16電子在d1區(qū)間的加速度a(m/s2)a＝FAB/me＝3.52×1014根據(jù)d1＝vhtAB+(atAB2/2)力學(xué)關(guān)系，計(jì)算電子通過d1區(qū)間的時(shí)間tAB(s)tAB＝[-vh+(vh2+2ad1)1/2]/a＝2.1×10-9該系統(tǒng)的末速度即電子離開B電極的速度vB(m/s)vB＝5.93×105(UST)1/2+vh＝9.554×105電子的功率PAB(W)PAB＝mevB2/2tAB＝1.98×10-10發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)算過程設(shè)，發(fā)電機(jī)凈功率輸出為ΔP＝4000(J/s)；電子末速度vK＝3×104m/s。傳熱過程慢電子能量EK(J)EK＝mevK2/2＝4.1×10-22J熱源能量Eh(J)Eh＝3KT0/2＝6.21×10-21JEh＞EK，符合傳熱原則。發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓UJK(V)
UJK＝me(vk2-vJ2)/2e＝-2.59計(jì)算發(fā)電系統(tǒng)的其它參數(shù)，需要遵守?zé)犭娹D(zhuǎn)換與發(fā)電系統(tǒng)的功率平衡或匹配的原則即PAB＝PJK+PK將，PJK＝me(vK2-vJ2)/2tJK，PK＝me(-vK2)/2tJK代入上式，可以得出電子通過d2區(qū)間的時(shí)間tJK(s)tJK＝me(vk2-vJ2)tAB/vB2＝2.098×10-9d2區(qū)間的負(fù)向加速度-a(m/s2)-a＝(vK-vJ)/tJK＝4.41×1014平行板距離d2(m)d2＝(vK2-vJ2)/2(-a)＝0.00103電子的凈功率Ph(W)Ph＝me(vk2-vh2)/2tJK＝-2.76×10-12單位時(shí)間電子數(shù)密度Ne(/s)Ne＝ΔP/Ph＝1.45×1015發(fā)電回路總功率輸出∑P(W)∑P＝NePJK＝2.87×105發(fā)電回路電流量IJK(C/s)IJK＝Nee/tJK＝1.11×105發(fā)電回路負(fù)載RL(Ω)RL＝UJK/IJK＝2.33×10-5在圖1方式條件下，發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率ηe等于負(fù)載(RL)的效率，如果RL為純電阻則ηe≈1。
本發(fā)明的傳熱原理，是慢電子直接碰撞熱源表面獲取熱能，因此，不允許在K電極(4)與真空容器(8)之間有任何形式的電場對(duì)慢電子加速。事實(shí)上在這個(gè)區(qū)間已經(jīng)存在加速電場，處理的辦法是將真空容器的金屬內(nèi)表面及K電極的背面進(jìn)行電絕緣處理。
圖2是本發(fā)明的啟動(dòng)原理圖，將大功率發(fā)電機(jī)分成若干個(gè)(I1-In)與啟動(dòng)功率相同的發(fā)電單元(11)，并將前一單元的UJK與后一單元的UAB連接，最后一個(gè)單元In與第一個(gè)單元I1通過轉(zhuǎn)換開關(guān)(13)進(jìn)行啟動(dòng)-運(yùn)行的轉(zhuǎn)換完成發(fā)電單元的首尾相接。而通過發(fā)電單元的一維束，卻不是串聯(lián)而是單元之間彼此獨(dú)立，并且每一個(gè)單元的末速度vK均符合傳熱原則。
啟動(dòng)過程啟動(dòng)電源(5)通過轉(zhuǎn)換開關(guān)(13)向I1單元提供啟動(dòng)電壓UST＝UAB。發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載是I2單元A、B極板，但沒有形成電回路，為此必須在J、K極板上增設(shè)電阻RL1(12)。考慮到轉(zhuǎn)換效率ηe，RL1的阻值往往比較大，根據(jù)前面的計(jì)算參數(shù)，如果RL1＝1(Ω)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很小的電壓UR≈0.0067(V)，并建立起一個(gè)很弱的電場EAB′＝UR/d2≈6.5(V/m)，這樣就可以使負(fù)載加重同時(shí)UR也會(huì)有所提高，UR的提高又會(huì)使負(fù)載進(jìn)一步加重，UR進(jìn)一步提高。這種“正反饋”機(jī)制會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)使發(fā)電系統(tǒng)達(dá)到正常值輸出。每一個(gè)單元都將重復(fù)上述過程直到In單元，當(dāng)負(fù)載(在這里一般采用大功率電阻代之)RL上的電壓UJK＝UST時(shí)，將開關(guān)(13)由1位(啟動(dòng))撥至2位(運(yùn)行)即形成閉合循環(huán)。整個(gè)啟動(dòng)過程，由I1至In單元需要一定的時(shí)間，這正是在系統(tǒng)中形成能量積累的過程。
發(fā)電單元中發(fā)電系統(tǒng)是由J、K極板和j、k極板組成，也可以是J、K、k極板組成，其中K、j為同一極板。J、K系統(tǒng)完成啟動(dòng)能量Ae的復(fù)制，j、k系統(tǒng)則對(duì)外輸出凈功率。圖2中的凈輸出是由各單元的j、k極板串聯(lián)，并與負(fù)載RL2(14)、一維束構(gòu)成電回路。串聯(lián)可以提高輸出電壓，若并聯(lián)則可以增大輸出電流。若設(shè)，啟動(dòng)功率PST＝1000W，那么，發(fā)電單元總數(shù)InIn＝(∑P-ΔP)/PST＝283由于電阻RL1的存在，必然有功率損耗PR(W)即PR＝UJKIR＝2V×2A＝4于是，發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率ηeηe＝(PST-PR)/PST＝0.996圖3是一維束原理圖，一維束是由單極性電荷組合而成并且在一維方向上順序排列，每一個(gè)電荷在電場中都有相同的加速度或減速度，若用力學(xué)關(guān)系表示即v2-v1=at1，v(n-1)-vn=atnv12-v11＝(-a)t11，v(1n-1)-v1n＝(-a)t1n其中加速度a、(-a)均為常數(shù)，一旦確定了參考時(shí)間t1或tn，就一定有t1＝tn。于是，就形成公差DD＝v2-v1＝v(n-1)-vnD＝v12-v11＝v(1n-1)-v1n為此，一維束在電場中自然形成等差數(shù)列。在EAB系統(tǒng)中，D＞0，說明一維束中電子與電子的最小間距出現(xiàn)在r1，在EJK系統(tǒng)中，D＜0，說明最小間距出現(xiàn)在r1n。
在束中，F(xiàn)e＝eE表現(xiàn)為引力，而同性電荷也必然存在斥力Fr，只有當(dāng)兩種力相等時(shí)才能形成最大束密度，即eE＝e2/(4πε0r2)于是，一維束的最小間距r1(m)r1＝[e/(4πε0EAB)]1/2＝8.49×10-7ε0＝8.85×10-12F/m公差D＝v2-v1v2＝(2ar1+v12)1/2＝1.171×105m/sD＝v2-v1＝2.57×103于是，在d1區(qū)間里一維束密度nφ1nφ1＝vB/D＝372圖4是一維束電極結(jié)構(gòu)圖，極板(15)是由金屬膜片制成，直徑為φ0，除去焊接部位(圖中空白區(qū)域)，余下面積將通過微細(xì)加工技術(shù)制作微孔φ1。φ1孔是形成一維束的充分條件，即同性電荷在φ1距離上的排斥力Fφ，一定大于d1區(qū)間的電場力FAB，即e2/(4πε0φ12)＞FAB符合了這種關(guān)系，單極性電荷只能一個(gè)接一個(gè)進(jìn)入φ1孔，即一維束。已知FAB＝eEAB＝3.204×10-16N，并設(shè)φ1＝0.1×10-6m。計(jì)算Fφ(N)Fφ＝e2/(4πε0φ12)＝3.2×10-14上式證明，選擇φ1＝0.1×10-6m能夠?qū)崿F(xiàn)一維束。
圖5是電場電極結(jié)構(gòu)放大圖，是對(duì)內(nèi)系統(tǒng)(7)局部放大。將束電極(15)嵌入各金屬極板中(如A、B、J、K、j、k)焊接并與極板保持同一平面。在各極板之間填充電絕緣體(16)并要求各極板上的φ0孔同一軸線，各極板上的束電極(15)的φ1孔也同一軸線。
φ0孔的確定涉及到兩種力的計(jì)算即平行板受力、束對(duì)極板的反作用力，相比之下后者可以忽略。根據(jù)靜電計(jì)原理計(jì)算出極板受力Fc(N)Fc＝2πσ2Sφ0σ-面電荷密度C/m2Sφ0-受力極板的面積m2將EAB＝UAB/d1＝4πσ?guī)肷鲜?，得Fc＝2π(EAB/4π)2Sφ0設(shè)，束極板φ0＝0.6mm，Sφ＝πφ02/4＝2.826×10-7m2，極板受力FcFc＝2π×(2000/4π)2×2.826×10-7＝0.045此力對(duì)于束極板而言是十分安全的。
權(quán)利要求
1.由熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)共同組成內(nèi)系統(tǒng)(7)，由真空容器(8)、熱源(9)、熱媒(10)共同組成外系統(tǒng)，其特征是內(nèi)系統(tǒng)(7)被外系統(tǒng)所包圍彼此隔離，但存在電聯(lián)系即真空容器(8)與A電極(1)均保持相同電位即零電位，熱媒(10)只能從A電極(1)進(jìn)入，由K電極(4)輸出，熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是由電源UAB連接平行板A電極(1)、B電極(2)并與通過A、B電極的一維束(D＞0)構(gòu)成電回路，發(fā)電系統(tǒng)由負(fù)載RL(6)將平行板J電極(3)、K電極(4)連接起來并與通過J、K電極的一維束(D＜0)構(gòu)成電回路，發(fā)電系統(tǒng)之后要求帶電粒子的末速度vK符合mvK2/2＜3KT0/2傳熱關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電回路其特征是平行板電場EAB從A電極前面選取單一帶電粒子順序進(jìn)入電場，并在電場中完成熱能Eh與電場力作功Ae的迭加。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述，φ1孔是形成一維束的充分條件其特征是單極性電荷在φ1距離上的排斥力Fφ，一定要大于電場力FAB，即Fφ＞FAB。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述，發(fā)電系統(tǒng)電回路其特征是帶電粒子因受到平行板感應(yīng)電場EJK的軸向反向作用力，在直線運(yùn)動(dòng)方向上減速。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述，發(fā)電系統(tǒng)一維束其特征是公差D＞0的一維束在經(jīng)過感應(yīng)電場EJK的同時(shí)，其公差轉(zhuǎn)變?yōu)镈＜0。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述，啟動(dòng)原理其特征是將發(fā)電機(jī)總的電量容量進(jìn)行細(xì)化，分成若干個(gè)與啟動(dòng)能量相同的發(fā)電單元(11)，首尾相接構(gòu)成Ae的循環(huán)回路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征是系統(tǒng)熱效率定義為η＝ΔA/(Eh-En)＝ηe-(Ae/ΔEh)(1-ηe)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述，傳熱系統(tǒng)其特征是在真空容器(8)的內(nèi)表面以及K極板(4)的背面進(jìn)行電絕緣處理，防止加速電場對(duì)慢電子的影響。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征是在平行板電極上開設(shè)的φ0孔同一軸線，一維束極板(15)上的φ1孔在平行板電極上同一軸線。
全文摘要
本發(fā)明公開一種靜電場可逆原理發(fā)電技術(shù),適合于從各種熱源(如,等離子體、核能、化學(xué)能、太陽能等熱源)中取熱直接發(fā)電。該技術(shù)是在電氣體發(fā)電(又稱為電流體發(fā)電)的基礎(chǔ)上改進(jìn)的,是把電氣體發(fā)電的熱流體,改為由靜電場引起的電子(離子)流體,這樣就能從根本上消除熵的影響,即遠(yuǎn)離了熱力學(xué)系統(tǒng)。為此,本發(fā)明在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了高效率熱電轉(zhuǎn)換。
文檔編號(hào)H02N3/00GK1335671SQ0112608
公開日2002年2月13日 申請(qǐng)日期2001年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月21日
發(fā)明者王杰 申請(qǐng)人:王杰