專利名稱：向心力發(fā)電的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新能源開發(fā)。
現(xiàn)在的電能種類很多，但利用物體在水平面上的傾斜軌道上做圓周運(yùn)動時重力和支持力所產(chǎn)生的向心力來發(fā)電的事世界上還沒有。
本發(fā)明的目的人類現(xiàn)有的熱力能源不僅存在嚴(yán)重的環(huán)境污染，其熱力能源本身也已發(fā)出了危機(jī)信號。太陽能源雖無環(huán)境污染，可是效率太低，成本太高，限制太大。水力資源理想，但建造談何容易。風(fēng)力資源除了受條件限制而外，其成本也并不低。如93年12月7日山東《信息快報》報道的內(nèi)蒙古與美國合資建設(shè)的亞洲最大的風(fēng)力發(fā)電廠，總裝機(jī)容量為10萬千瓦，整個工程投資約6億人民幣，平均每萬千瓦投資達(dá)0.6億人民幣……我們?nèi)粢栽诘孛嫔献鰣A周運(yùn)動的車子的重力和支持力所產(chǎn)生的合力即向心力為能源，不僅不受地域、晝夜、風(fēng)否等限制，不存在環(huán)境污染，而且建造容易，成本低廉，隨處可建，既可建在地上，也可建在地下，還可高架……若我們建造一個裝機(jī)容量為64萬千瓦的向心力發(fā)電站，每萬千瓦用294萬元左右就可以了，即為風(fēng)力發(fā)電站投資的1/20或5％，而且有半年左右的時間就可以建成發(fā)電。這就是說，向心力電站或圓電站可以按我們的需要提供廉價而充足的電力能源，為生產(chǎn)和生活服務(wù)。
第一、原理我們知道，物體所以做勻速圓周運(yùn)動，是因?yàn)槲矬w受到向心力的作用。向心力不是什么特殊的力，任何一種力或幾種力的合力，只要它的作用效果使物體產(chǎn)生向心加速度，它就是向心力、向心力不是一種憑空產(chǎn)生的力，它就是做勻速圓周運(yùn)動的物體所受的一種力或幾種力的合力。通訊衛(wèi)星圍繞地球做勻速圓周運(yùn)動，其向心力是衛(wèi)星的重力；地球圍繞太陽做勻速圓周運(yùn)動，其向心力是太陽對地球的引力。做勻速圓周運(yùn)動的物體既有質(zhì)量，又有速度，依動能公式EK＝1/2mv2，也就必然具有能量。這就是說，向心力如同水力、風(fēng)力一樣，是一種無須消耗其它資源的自然存在的可為我們利用的能源。
我們又知，火車在轉(zhuǎn)彎處的鐵路與水平面總有一定傾角，即外軌高于內(nèi)軌，這樣鐵路對火車的支持力N，其方向不再是豎直的，而是傾向彎道的內(nèi)側(cè)，它與重力G的合力F向指向圓心，成為使火車轉(zhuǎn)彎的力即向心力(見圖一)。這個合力，實(shí)際上也就是火車的重力在斜面方向上的分力。這個使火車轉(zhuǎn)彎的力顯然不是我們通常意義上的能源提供的，而是人們習(xí)以為常的支持力和重力的合力或重力在斜面上的分力提供的。如果我們將這種現(xiàn)象推而廣之，建造一個外高內(nèi)低的圓形鐵路使火車始終處于“轉(zhuǎn)彎”的運(yùn)動狀態(tài)中，即讓火車一直做勻速圓周運(yùn)動，那么火車就會在這種神奇的向心力即重力在斜石上的分力作用下，不消耗任何能源，又假設(shè)阻力為零，無能量損耗，那么它就會象以某一宇宙速度進(jìn)入軌道的衛(wèi)星一樣，一旦以某一適當(dāng)?shù)某跛俣冗M(jìn)入圓形鐵路，自己就會自動地周而復(fù)始地做勻速圓周運(yùn)動。如果我們給這種火車上，在與枕木平行的方向上裝置一系列巨型磁鐵；再安裝上長度約等于圓形鐵道，且能正好把火車套入其內(nèi)的隧道式線圈，或在鐵路兩側(cè)的與磁鐵同高的位置架上一系列線圈平面與鐵軌縱向弧面平行，與磁鐵磁極大小相當(dāng)?shù)臄?shù)量適當(dāng)?shù)木€圈，那么在火車做勻速圓周運(yùn)動的同時，隧道式線圈不斷切割磁力線，或鐵路兩側(cè)的小線圈內(nèi)的磁通量不斷發(fā)生變化，于是由于發(fā)生電磁感應(yīng)，在線圈上便產(chǎn)生了感生電動勢，外電路若閉合則產(chǎn)生感生電流。而這種電流說到底是向心力發(fā)出的。
當(dāng)然從能量守恒的角度看，當(dāng)一列以初速度V0(正好滿足向心力需要)的磁鐵小火車進(jìn)入圓形軌道后，雖然它的動力是自然存在的向心力，不再需要其它動力推動，但空氣阻力和機(jī)械摩擦力是免不了的，必然要消耗磁鐵小火車的一部分能量，從而使其動能逐漸減小。按動能公式EK＝1/2mv20，質(zhì)量m是常量，那么減小的只會是V0。而V0逐漸減小的必然結(jié)果會導(dǎo)致磁鐵小火車最后停下來，不再發(fā)電；而且因V0減小而產(chǎn)生內(nèi)軌對內(nèi)側(cè)車輪輪緣的彈力，這便會使內(nèi)軌因受擠壓而易于損壞。要防止此問題發(fā)生，就需要即時給小火車補(bǔ)允損失的能量，以保持其初速度V0不變。補(bǔ)充的辦法是把向心力發(fā)出的部分電能回授給磁鐵小火車，以帶動能驅(qū)動小火車的電動機(jī)運(yùn)行。那么該補(bǔ)充多少電能呢？我們以園形鐵路的半徑為300米，鐵軌與水平面的傾角為15°，磁鐵小火車每米的質(zhì)量為2噸的情況來論述。此時小火車運(yùn)行的向心力F向正好等于mv2/R，即F向＝mv2/R。由計(jì)算可知，此時的向心力約為重力的1/4，即F向≈1/4G，那么V＝27.7米/秒＝99.7千米/小時。這樣，小火車每米長的動能Ek＝1/2×2000×27.22焦＝767290焦≈76.7萬焦。而圓形軌道上的磁鐵小火車長度S＝2πR＝2×3.14×300米＝1884米。那么，其總動能即為144557.4萬焦。我們以重力做功的情形作類比就可以算出小火車的功率。設(shè)一質(zhì)量為1884×2噸的物體自由下落了h的高度時重力所做的功mgh正好等于圓形鐵道上的小火車的總動能Ek總，即W＝mgh＝1/2mv2，那么h＝V2/2g＝39.2米。知道了h，再依自由落體運(yùn)動位移公式h＝1/2gt2便可求得時間t＝2h/g＝2.83秒。知道了重力做功的時間，就可求出其平均功率P＝W/t＝EK總/t＝144557.4萬瓦/2.83＝51080.353萬瓦≈51萬千瓦。而這個平均功率實(shí)際上是物體做自由落體運(yùn)動時零時刻的功率與末時刻功率的平均功率，即P＝P零＋P末/2。而P零＝0，所以P＝P末/2，那么P末＝2P＝51萬千瓦×2＝102萬千瓦。我們又設(shè)想把圓形軌道展開，那么它就成了水平直線傾斜軌道，這樣我們就可以依公式P＝FV計(jì)算出設(shè)想中的牽此力F牽，即F牽＝P/V＝102萬千瓦/27.7米/秒＝31323104牛。而1米長的小火車受到的支持力或火車對鐵路的正壓力N＝2000×9.8×COS15°牛＝19012牛。那么小火車受到的總阻力f＝μN(yùn)＝0.09×19012×1884牛＝3223674.7牛。這樣f/F牽＝3223674.7/31823104≈0.088，而F牽/f≈11.4，即阻力只占牽引力的8.8％，或牽引力是阻力的11.4倍。又因?yàn)樵谒俣萔一定時，依公式P＝FV，力F與物體的功率P成正比，基此我們就可以算出消耗的功率11.4∶102＝1∶X，X≈8.95萬千瓦。這就是說用發(fā)出電的1/11.4即8.95萬千瓦回授給磁鐵小火車，就可以使磁鐵小火車保持27.7米/秒的速度在半徑為300米的圓形軌道上做勻速圓周運(yùn)動。可見，回授的電量只占總電量的很小的部分，是無足輕重的；也就是說圓電對我們來說可稱得上是一種比較理想的能源。
第二、結(jié)構(gòu)1、圓形鐵道的半徑和傾斜度，磁鐵和小火車的質(zhì)量大小，以及所需電能的多少，可以根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行選擇或另行計(jì)算(見效據(jù)表)。地點(diǎn)可選在平處，也可選在不平處；還可繞山轉(zhuǎn)，在必要處打隧洞；可建于地上，也可修于地下，還可高架，或二者、三者結(jié)合，還可集中一地，搞不同半徑的數(shù)個同心圓形鐵道；既可搞大、中、小型的，也可搞單位用和家庭用的。必須注意的是半徑的數(shù)值。粗略的計(jì)算，可采用圓形鐵路在水平面上的半徑(數(shù)據(jù)表即是)。精確的計(jì)算必須采用向心力到所指的圓心的距離X，即沿圓形鐵路的斜面中心到其頂端的距離即圓錐面的母線長。其計(jì)算辦法是COSθ＝R(水平面上園的半徑)/X，X＝R/COSθ其中θ為鐵軌的傾角。
2、磁鐵小火車上的車身采用非磁性材料，且以質(zhì)量分布均勻?yàn)楹茫卉嚿系拇盆F的磁感應(yīng)強(qiáng)度要盡可能大些，可以是永久性磁鐵，也可以是電磁鐵；形狀可以是兩個半圓形，也可以是四個半圓形，還可以是圓柱形或者是長方形(見圖2)。磁體可以在磁極部分用磁鐵，其它部分用鋼筋混凝土取代；也可在鋼筋混凝土兩頭貼上大塊的強(qiáng)磁性磁鐵；若采用的是電磁鐵，情況也類似。
3、前兩種磁鐵對應(yīng)的是隧道式線圈，后兩種磁鐵對應(yīng)的是線圈平面與鐵軌中線縱向弧面平行的線圈。線圈的匝數(shù)可由ε＝nBLV或ε＝n×ΔΦ/Δt來計(jì)算，ε為電動勢，n為匝數(shù)，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，L為一匝線圈切割磁力線的長度，V為跟線圈平面垂直方向上的磁力線運(yùn)動速度即車速。線圈纏繞和擺放形式應(yīng)以盡可能多地切割磁力線或使磁通量變化率增大為原則。交流電的頻率由一個磁極通過一個線圈的速度來決定。如同一個磁極在1秒內(nèi)通過了50個線圈，則頻率為50赫。
4、加速和減速軌道可利用坡地，由重力來加速或減速；也可選在平地，由電力來加速或減速。若用重力來加速或減速，表上數(shù)數(shù)據(jù)可供參考。不管采用那種形式加速或減速，得在圓形鐵路旁另建一個跟圓形鐵道成“8”字形的另一個圓形鐵道，而且兩個圓形鐵道在結(jié)合處應(yīng)正好相切。當(dāng)然，也可建造一個比圓形鐵道大或小一些的同心圓或螺旋狀鐵道；更可建造一條直線鐵道，長度要以滿足將小火車加速到“軌道速度”為前提。加速或減速鐵道的傾斜度，應(yīng)與不同位置的不同速度相對應(yīng)。如果有一備用的磁鐵小火車，那當(dāng)然更好了。
5、在磁鐵小火車的部分車輪上采用“重力機(jī)”技術(shù)，則可免去回授電能問題和進(jìn)入軌道前的動力及離開軌道時的阻力問題。
6、磁鐵小火車的外輪直徑應(yīng)比內(nèi)輪直徑略大一些，至于大多少，由內(nèi)外軌的圓周長度來決定。
7、磁鐵小火車的外形，應(yīng)參考高速火車的外型，“軌道速度”越大，其流線型和封閉性應(yīng)越好。小火車的車輪可以多一些，以便減小對鐵軌和輪軸的壓強(qiáng)，使其經(jīng)久耐用；還要盡可能小一些，以便降低小火車重心，減小體積，提高穩(wěn)定性，降低成本，也減小了對磁鐵所需空間的擠占。
8、若使圓電系統(tǒng)成為全封閉的半真空狀當(dāng)然更好。
園電數(shù)據(jù)表
續(xù)表
權(quán)利要求
向心力發(fā)電或圓電是根據(jù)物體做圓周運(yùn)動的特點(diǎn)，以斜面上的物體的重力及其受到的支持力所產(chǎn)生的合力(也就是物體的重力在斜石方向上的分力)即向心力為動力，使帶有磁鐵的車子在做勻速圓周運(yùn)動的過程中，跟靜置于軌道上的線圈發(fā)生電磁感應(yīng)而發(fā)電的。請求保護(hù)的權(quán)利如下一、向心力發(fā)電的原理；
二、向心力發(fā)電功率和損耗功率的計(jì)算辦法，以及標(biāo)準(zhǔn)半徑的計(jì)算辦法；
三、向心力發(fā)電的圓形鐵道設(shè)計(jì)；
四、圓形鐵道的封閉和半真空設(shè)計(jì)；
五、磁鐵火車的加減速鐵道和備用磁鐵火車的設(shè)計(jì)；
六、在磁鐵小火車的部分車輪上采用“重力機(jī)”技術(shù)；
七、磁鐵小火車的外輪直徑應(yīng)比內(nèi)輪直徑略大一些；
八、磁鐵小火車的外型應(yīng)是流線形和具有封閉性，使圓電系統(tǒng)成為全封閉型和半真空狀更好；
九、磁鐵的形狀、用混凝土取代部分鋼材和排列設(shè)計(jì)；
十、線圈形狀、排列和交流電頻率設(shè)計(jì)。
全文摘要
向心力發(fā)電(圓電)屬新能源開發(fā)，它依物體做圓周運(yùn)動的特點(diǎn)，只要修建一外高內(nèi)低的圓形鐵道，當(dāng)火車以適當(dāng)速度進(jìn)入時，其重力和所受到的支持力的合力就會為火車做圓周運(yùn)動提供向心力，使火車自行運(yùn)轉(zhuǎn)。若給火車裝上磁鐵，在鐵道旁架上線圈，由于電磁感應(yīng)，線圈上就會產(chǎn)生電流。而火車因阻力出現(xiàn)的能量損耗用所發(fā)電的十多分之一就可彌補(bǔ)。向心力發(fā)電隨處可建，技術(shù)簡單，成本低廉，容量又大，工期頗短，是很值得開發(fā)的新能源。
文檔編號F03G3/00GK1144302SQ94108410
公開日1997年3月5日 申請日期1994年7月16日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月16日
發(fā)明者劉克良 申請人:劉克良