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長期以來我們一直忽視了一種能量的存在,這就是大氣壓能。在能源日趨緊張的今天,當我們在探討各種清潔能源技術的同時,為什麼沒有想到這種地球賜予我們的天然寶貴能源呢?

1. 什麼是大氣壓能水力迴圈發電站

大氣壓能水力迴圈發電站是以地球環境大氣壓力能量為基礎,以固體燃料乙醇為工作燃料,將水提升到一定高度後釋放衝擊水輪機機組發電的一種創新型發電技術。目前,在國內和國際科學界以及電力工程領域都沒有這種概念和裝置出現,在這一應用領域還屬空白。

2. 地球大氣壓簡介

地球表面的被大氣層所包裹。其大氣會對處於其中的物體產生壓強,我們稱它為大氣壓強,簡稱為大氣壓。大氣壓產生的原因:由於大氣受到重力作用;而且大氣有流動性。證實大氣壓存在的實驗:馬德堡半球實驗(1654年,德國馬德堡市長-奧托.格里克設計)大氣壓的方向:向各個方向總是垂直物體表面.大氣壓是變化的:在不考慮大氣溫度變化這因素的影響時,大氣壓值隨地理高度h的增加按指數規律減小,其函式影象如圖所示。在2km以內,大氣壓值可近似認為隨地理海拔高度的增加而線性減小,

由赤道向兩極,隨地理緯度增加,大氣壓總的變化規律是逐漸增大(因氣候等因素影響,區域性某處的大氣壓值變化可能不遵循這一規律)。其次,晴天的大氣壓比陰天高。

3. 大氣壓能水力迴圈發電站物理學基礎——托裡拆利實驗

1655年由伽利略的學生托裡拆利完成

PA=PB PB=P大氣壓= ρ水銀gh

1標準大氣壓:把相當於76釐米水銀柱所產生的壓強值稱為1標準大氣壓。托裡拆利實驗的結論:

水銀柱的豎直高度不變,說明大氣壓強與玻璃管的粗細、長短無關。

做托裡拆利實驗時,若玻璃管內混有少量空氣,則測量的結果比實際大氣壓小

4. 地球的大氣壓強是一種能量

長期以來我們一直忽視了一種能量的存在,這就是大氣壓能。在能源日趨緊張的今天,當我們在探討各種清潔能源技術的同時,為什麼沒有想到這種地球賜予我們的天然寶貴能源呢?來看一下大氣壓能的例子:把托裡拆利實驗的水銀換成水,那麼一個標準大氣壓能夠支撐多高的水柱?

一個標準大氣壓能夠支撐10.336米水柱,而且與管的粗細無關。也就是說,1個標準大氣壓能把直徑10cm的水柱頂到10.336米的高度,同時也能夠把直徑1m的水柱頂到10.336米的高度。當然,在同等高度情況下,製造直徑10cm和製造直徑1m的真空所需要的能量是不同的。對於實際工程應用來說,這就由技術問題延伸出了一個經濟可行性的問題。如果製造直徑1m的真空或者接近真空的能耗低於行業標準煤耗(火電廠每生產1千瓦·小時的電能所消耗標準煤的數量就是標準煤耗,單位是克/(千瓦·小時)),那麼,大氣壓能將成為一種可以利用的無處不在無時不有的免費清潔能源。

5. 大氣壓能——水往高處流的實驗

水往低處流是自然現象。水力發電就是利用水流的自然落差來發電的。落差與流量決定了電力的輸出功率。在自然條件下要讓水往高處流,必須通過其它能量來完成勢能的轉換。能不能利用大氣壓力把水送到高處,以人工製造落差的方式來發電呢?當然可以,只要改變兩個容器水面上的氣壓就可以改變容器水面的高度。實驗如下:

在實驗皿裡注入水,用一隻800mL的燒杯倒扣在皿中使水面高度到達0mL刻度,找一個塑料小盒倒入1mL工業酒精使之漂浮在水面上並點燃,接著用燒杯罩住燃燒著的酒精。在幾秒以後,燒杯中燃燒著的酒精會因為缺氧而逐漸熄滅,在熄滅的瞬間,實驗皿中的水會被快速吸入燒杯而使燒杯裡面的水面上升高於實驗皿的水面,在2秒時間內達到400mL高度。換種思路:如果以50mL刻度為單位同比例放大作為1m計算,那麼,在2秒之內水被抬升了8m。這個實驗原理很簡單:由於酒精的燃燒消耗了燒杯中的氧氣,導致杯內外大氣壓強的不同。杯外大氣壓高於杯內大氣壓,所以水被大氣壓壓高了。其實並不是1mL酒精蘊藏這麼大的能量,而是大氣壓力本身具有能量,只是這1mL酒精起到了"四兩撥千斤"的作用。所以,大氣壓本身就是一種能量載體,關鍵是通過什麼方式去啟用這種能量。那麼火源的高度和麵積會對水面抬升高度有什麼影響呢?由實驗得出:水面抬升的高度與火源燃燒面積成正比。與火源燃燒的高度成反比。擴大燃燒面積同時降低火源高度可以獲得高水位的提升。所以用燃燒的方式製造大氣壓的壓力差從而抬升水面從技術上是可行的,關鍵是燃料本身的經濟性。

6. 抽水蓄能罐

1. 抽水蓄能罐的結構

抽水蓄能罐是吸水排水裝置,即水力動力輸出罐。由鋼筋混凝土建成。見下圖。

抽水蓄能罐由內外兩層構成外層藍色為密封層,內層紅色為燃燒層,用於隔離水和固體燃料乙醇。固體燃料乙醇放置於燃燒層底部,並裝有程式控制自動點火裝置。抽水蓄能罐頂部小孔是程控空氣電磁閥小孔。用於在點火前關閉,在排水時開啟。抽水蓄能罐底部大孔是排水口,是抽水蓄能罐吸水和排水的通道。抽水蓄能罐立於水池中,水池深度蓋過排水孔不宜過多。

2. 抽水蓄能罐的佈局

3. 抽水蓄能罐的出水壓力分析

液體在內部任意一點產生的壓強P=ρgh,深度h是該點到液麵的距離。該壓強與液麵上方的壓強之和等於液體內部該點的實際壓強。液體壓強具有以下性質:

①液體內部的壓強隨液體密度的不同而變化。

②液體壓強與容器的大小及形狀無關。

④相同靜止液體中同一高度的壓強各向相同。

分析計算:假如抽水蓄能罐高7m,直徑3m裝滿水,距底部高度1m有一直徑1m的排水口,當開啟排水口水流出,求抽水蓄能罐以1m為間隔各階段的排水口出水壓力變化值。

根據壓強公式

進行有關計算時,關鍵是壓力F與受力面積S的確定。由

得F=p*S∵P=ρgh

∴F(7m)= P*S=1.0*10³kg/m³*9.8N*6m*0.78m²=45864N

F(6m)= P*S=1.0*10³kg/m³*9.8N*5m*0.78m²=38220N

F(5m)= P*S=1.0*10³kg/m³*9.8N*4m*0.78m²=30576N

F(4m)= P*S=1.0*10³kg/m³*9.8N*3m*0.78m²=22932N

F(3m)= P*S=1.0*10³kg/m³*9.8N*2m*0.78m²=15288N

F(2m)= P*S=1.0*10³kg/m³*9.8N*1m*0.78m²=7644N

大氣壓能能否成為明日的能源之星?或許我們忽視的正是我們需要的,讓我們拭目以待吧。

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