CN110380646A - 获取瞬态能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的获取瞬态能装置属于新能源应用技术领域，尤其是涉及利用新能源发电的系统装置。本发明获取瞬态能装置是将爆燃物质等容量或等质量地进行分量控制，在周围压电材料所形成的反应腔中爆燃。在爆燃所产生瞬态能和高压气体的作用下，使反应腔周围的压电材料发生形变，同时推动活塞压缩气体做功；发生形变的压电材料所产生的电荷，由所设计的高压整流电路存储在超级电容中。利用爆燃所产生的高压气体推动活塞及推杆撞击压电材料的放电极产生电火花，使爆燃物质发生化学反应，这种引爆方法使获取瞬态能装置的连动能同步，无需另加同步控制。本发明获取瞬态能装置具有实际应用价值，将爆燃所产生的能转为电能，并可将电能存储和利用。
Description
技术領域：
本发明属于新能源应用技术领域，尤其是涉及利用新能源发电的系统装置。
技术背景：
电能被广泛应用，火力发电能源主要靠的是煤、油；还有靠核能发电；水利发电；太阳能、风能、生物能发电等。其中火力发电占我国总发电量的70％以上，我国电能的获取主要靠燃烧煤、油以及天然气。而煤、油和天然气都是不可再生的自然资源，且燃烧热功转换效率低、排放对空气有污染。
在对火炸药的实验、研究中发现，这种爆燃的剧烈化学反应生成新物质的过程瞬间释放一种能，这种能威力巨大，且有一定的作用距离，可直接做功，被发现者命名为瞬态能。爆燃或爆炸产生高温、高压气体的同时即产生冲击波，发现冲击波不是由高温、高压气体产生，而是由瞬态能产生。爆燃不同于燃烧，也不同于爆炸，爆燃速度介于燃烧与爆炸之间，约为1000米/秒——2000米/秒。
爆炸所释放的瞬态能虽然巨大，但释放迅速，难以获得；爆燃释放的瞬态能虽不及爆炸，但释放时间在微秒级，能够被获取；而燃烧释放热能，听不到响声，不产生瞬态能。爆燃同样产生高温、高压气体，所产生的高压气体也可以做功，但所做的功远不及瞬态能所做的功。可产生爆燃的物质除火炸药外，还有粉尘、可燃气体等。碳氢化合物粉尘用农作物的谷皮、秸秆、木削等副产品就可制成，来源广泛，可再生，且爆燃生成碳氧化合物及水，对环境污染小。当粉尘与氧气混合达到20％-80％浓度时，在电火花的作用下即可发生爆燃。
为了利用可产生瞬态能一类的能源物质，在已发明的“一种获取爆燃能的方法”(ZL201410706377.9)和“爆燃驱动机”(ZL201410706359.0)的基础上，经实验、研究，发明了粉尘爆燃获取能量的“获取瞬态能装置”。该装置主要利用瞬态能瞬间作用力巨大、作用距离短的特点，使压电材料发生弹性形变产生高压电，而输出电能。
发明内容：
爆燃释放的能量包括高温、高压气体及瞬态能，即E＝EK+ET。其中高压气体释放的能ET和瞬态能EK都具有在力的方向上有作用距离(即W＝F*S)，可对外直接做功。高压气体释放的能ET其作用力是气体的膨胀力，而瞬态能EK的作用力来至于爆心，是由爆心点向外空间各个方向的推力。高压气体ET在密闭的气球中和在气缸中膨胀做功是等效的，而瞬态能EK做功是各个方向做功的总和。
经理论研究，瞬态能：EK＝E-ET
＝∑miDi(Xm-Y)-∑mi*∑QijΔTij
爆燃的总能量E＝∑miDi(Xm-Y)是化学变化分子键能公式，ET＝∑mi*∑QijΔTij是物理状态变化的热能公式，通过能量的相关性创造性地结合在一起，得到瞬态能EK的计算公式。通过理论计算，爆燃或爆炸剧烈化学反应释放的总能量中瞬态能EK高出高压气体能ET一个数量级。
利用高压气体原理做功目前已有成熟的技术，例如：内燃机、气动机(ZL00136776.5)等，但利用瞬态能做功的技术在国内外都是创新的。目前只有“一种获取爆燃能的方法”(ZL201410706377.9)和爆燃驱动机(ZL201410706359.0)获得国家发明专利。利用瞬态能做功的关键技术在于巨大的作用力和微小的作用距离。
经过理论和实验研究，瞬态能作用距离是空间各个方向的体积变化：
ΔV＝V1-V0＝4/3Л(R1 3-R0 3)；
(V0为瞬态能作用力发生时的体积，Vt为作用力消失时的体积)。
瞬态能作用半径：ΔR＝R1-R0；其中：R1 3-R0 3＝3m(ρ0-ρ1)/(4Лρ0ρ1)
(ρ0为化学反应物质密度，ρ1为所生成高温高压气体的初始密度)。
瞬态能的作用半径虽然很小，但其作用力是巨大的。目前狙击枪子弹头射程可达千米，若弹壳中装汽油和氧气，靠燃烧膨胀气体做功，子弹头射程不足百米。即推动子弹头做功的不仅是高温、高压气体，还有无意识地利用了爆燃(或爆炸)所产生的瞬态能。即爆燃或爆炸所产生的总能量中，在瞬态能作用范围ΔV内，理论上可产生十倍于其高压气体所作的功。
瞬态能的释放有两个极端状况，在真空中，因瞬态能没有作用媒质，因此无瞬态能输出，也听不到声响，无冲击波产生；另一极端状况是紧密包围爆燃(或爆炸)物的媒质非常坚固，爆燃所产生的瞬态能无法使其形变，也无瞬态能输出，即所谓的哑爆。
理论推断输出的瞬态能：eK＝kMv2，且eK＝kMv2＜EK
(v为质量M包围反应物媒质中的声速，k为系数；似质能公式E＝mC2，只不过C是光速)。
当在媒质中的声速v＝0(真空状态)，ek＝0；在瞬态能作用范围内，质量为M的媒质，媒质中声速为v，当ek＝kMv2≥EK时，也不会有瞬态能输出。在理论指导下，明确了爆燃(或爆炸)所输出能量的边界条件，使获取瞬态能所采用的包围爆燃物媒质材质和质量的选择有了理论依据。再根据经典理论冲量Ft＝Δmv，可计算出力和作用时间等。基于所发现瞬态能的理论研究成果，成功发明出“获取瞬态能装置”，使瞬态能转换成电能得以实现。
所发明的获取瞬态能装置主要是利用瞬态能瞬间巨大作用力和微小作用距离，使压电材料发生形变，产生应变电荷，通过输出电路将电能储存到超级电容中；由于瞬态能的巨大作用力，可使压电材料产生上万伏的高压，因此电能输出电路需设计抗高压电路；为了使压电材料紧密包围爆燃物质，采用了活塞推杆方式送料；为了爆燃威力达到可控制程度，采用每次小当量爆燃反应的方法，使获得的总能量是每次小当量爆燃能量的总和；由于需要多次小当量爆燃反应，所发明的装置需要具有连动性；具有这些特点的获取瞬态能装置才具有实用价值。
所发明的获取瞬态能装置还包括连续送料机构，该送料机构需要每次等当量、均匀地输送爆燃物质。对于火炸药一类固体爆燃物质的等当量连续输送，在“一种获取爆燃能的方法”(ZL201410706377.9)专利中已经解决，但对于粉尘、气体一类的爆燃物质的等当量、均匀输送没有解决。在该发明中，主要用的是粉尘爆燃物质，所以同时也发明了粉尘、气体等当量输送机构。粉尘爆燃具有一定的特性，在与氧气混合浓度低于约20％或高于约80％都不容易爆燃，浓度在20％-80％之间才易爆燃。粉尘在运输盛装中可采用高浓度，在使用前可降低至不宜爆燃的浓度，再采取压缩的办法将浓度增至易爆燃的浓度，这种使用粉尘爆燃的方法可提高安全性。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的整体结构图。
图2是实施例的顶盖及压电材料圆片主视、俯视图。
图3是实施例的爆燃腔及压电材料叠管主视、俯视图。
图4是实施例的输料结主视、俯视图。
图5是本发明运行过程示意图。
图6是实施例输料门及开关片示意图。
图7是实施例的储能电路图。
图中：1.顶盖，2.爆燃体，3.输料结，4.缸体，5.推杆，6.开关片，7.卡簧，8.触碰开关，9.储气罐，10、11、12.盛料缸，13.活塞盖，14.气阀，15.压电活塞，16.压电材料柱，17.压电材料片，18.压电材料叠管，19.导气门，20.放电极，21.输料门。
具体实施方式：
在图1本发明的整体结构图中，主体部分由四部分构成；顶盖(1)，爆燃体(2)，输料结(3)，缸体(4)。这四部分为圆柱体，相互靠螺扣连接；主体第一部分是顶盖(1)，如图2所示的正视、俯视图。顶盖(1)内有不同厚度和不同半径的压电材料片(17)重叠安装；压电材料片(17)受压力，各层压电材料产生电荷面的极性相反，使相邻极面可相互接触，且由导线a1、b1并联导出。a1导线联接放电极(20)，且与压电材料片(17)正电荷的一面相联接，再与高压放电电路a1相联；b1导线联接压电材料片(17)的负电荷的一面。a1、b1导线还将与储能电路图7的输入端联接。电材料片(17)、压电材料叠管(18)和压电材料柱(16)所述的压电材料是指受压力作用时会在两端面间出现电压的材料。
主体第二部分是爆燃体(2)，如图3所示，在爆燃体(2)中装有压电材料叠管(18)。压电材料叠管(18)是不同壁厚和不同半径的管状套装在一起，且压电材料叠管(18)是由两个半周管构成、相互交错安装，也可将压电材料叠管(18)的半周管每层间相互垂直安装。每层压电材料管受张力产生的极性相反，即压电材料叠管(18)受张力的一层内壁若产生正电荷，相邻一层的内壁产生负电荷；压电材料管内外壁分别由导线a2、b2并联，即a2联内壁和相隔一层管的内壁；b2联外壁及相隔一层的外壁，最后与储能电路图7的输入端联接。
主体第三部分是输料结(3)如图4，在输料结(3)中装有输料的开关片(6)和输料门(21)，如图6；输料结(3)为圆柱体，靠螺扣连接爆燃体(2)和缸体(4)，并有开口可导入爆燃物质。爆燃物质的输入由开关片(6)控制输料门(21)的开关，使爆燃材料的输入等量、同步推进爆燃体(2)里由周围压电材料所形成的反应腔中。
主体第四部分是缸体(4)，内有推杆(5)、活塞(15)，并装有卡簧(7)和触碰开关(8)，活塞(15)和推杆(5)可由不同材料制作，也可由压电材料制成；活塞(15)上有单相气阀，使上面的气体可单向导入活塞下面，下面的气体不能进入到上面；推杆(5)也可由金属或非金属材料与压电材料组合制成，在推杆的两端都可安装压电材料柱(16)。只是在安装压电材料柱(16)时上端压电材料柱受力后，上面产生的电荷要与放电极(20)的极性相反，使放电极(20)与压电材料柱(16)构成放电的正负两极。安装在缸体(4)中的卡簧(7)一端在活塞的作用下，可与触碰开关(8)接触，使图1中的放电电路导通。
由于瞬态能的作用使所发明的装置图1中顶盖(1)部件上的压电材料片(17)和爆燃体(2)中的压电材料叠管(18)都发生形变而产生电荷，分别被导线a1、b1和a2、b2导出，分别联接所设计的超级电容充电电路上，如电路图7，该电路是针对此发明而设计的电路。由于瞬态能释放功率巨大，瞬间可使压电材料产生高达上万的高压电，但电流不大，所以充电电路主要考虑的是高压问题。防止偶然大电流对电路产生破坏，在输入端加有Ka、Kb熔断措施。为消减高电压尖脉冲，在电路中加有40KV高压电容Cp，以防高压脉冲击穿二级管。
当压电材料受瞬态能作用变形，产生正电荷由导线a1、a2联出，负电荷由导线b1、b2导出。当压电材料变形恢复成反向变形时，正电荷将由b1、b2导出，负电荷由a1、a2导出。所设计的整流电路图7所示，主要因输出电压很高，将正、负两个半周期的电流分别处理，即压电材料机电转换输出的正半周和负半周电流分别存在两个超级电容Cw中。超级电容Cw储电，就如同蓄电池，可成为电源。为防止漏电，在超级电容两端都加有二级管D形成反向高阻抗。通过正负半周两个超级电容的输出电压Ua、Ub，根据Q＝C*U，就可计算出储电量的大小，若检测瞬时电压情况可直接检测二级管D1的两端电压。
本发明用一个或更多个的盛料缸供给混合气体，盛料缸中靠活塞盖(13)将所施加一定压强的气体与所供原料分开，如图1的盛料缸(10)、(11)、(12)供料部分的阀门。每个盛料缸所施加的压强靠减压阀控制，可使不同盛料缸所盛气体按不同流量流出，并混合在一起。各盛料缸中可盛装粉尘、可燃气体、氧气等，所盛粉尘超过爆燃浓度上限。
当所发明的装置开始工作时，如图1，先打开各盛料缸(10)、(11)、(12)的进气阀，通过稳压阀将各储料缸内加进一定压强的气体，气体推气缸中的活塞盖(13)给爆燃物质施加一定的压力。然后打开其中一个或几个储料缸的出料阀，使爆燃物质送至输料结(3)。所用的盛料缸可以是一个，也可以是多个，要根据所用爆燃物质的种类确定。
打开气阀(14)，充进气体将活塞(15)推至图5中图b的状态，然后关闭气阀(14)。第一次启动，先开启放电开关K在反应腔中放电；开始工作后，就可将放电开关K断开。活塞(15)通过推杆(5)被释放的瞬态能和高压气体弹向底部，如图5中的图c。活塞将压缩气体，通过单向阀充进高压气罐，如图5中的图d。剩有少部分高压气体留在活塞下面的凹处，回到图1状态。留在活塞凹处的高压气体将活塞推向上，如图5中的图a，此时滑杆上端通过开关片新送进定量的爆燃物质一同推向上。活塞和推杆向上运动时，为解决活塞下面的气缸形成负压，影响活塞和推杆向上的运动，在活塞上设计有单向阀。一旦气缸有负压，活塞上的单向阀将自动打开，以避免活塞受负压的影响而减慢向上运动的速度。
活塞连同推杆靠向上运动的惯性将爆燃物质挤压在所形成的反应腔中，推杆上端撞击上面的放电极(20)，同时活塞也被卡簧(7)卡住。因上面的放电极(20)与压电材料片(17)相连，同时在推杆上端也装有极化相反的压电材料(16)。当推杆与放电极相互作撞击时，导致压电材料形变，而在反应腔中产生放电。所放电的电火花导致被挤压在反应腔中的爆燃物质发生剧烈化学反应，而释放瞬态能。
所释放的瞬态能导致反应腔周围的压电材料(17)、(18)形变而产生高压电荷，同时也对推杆产生作用力。推杆和活塞在剧烈化学反应产生瞬态能的作用下，冲开卡簧(7)的卡锁，将具有的弹性势能释放。瞬态能使活塞和推杆具有的弹性势能突然释放，而获得更大的动能，再加上推杆上端爆燃产生高压气体的作用，释放弹性势能的推杆和活塞向下压缩气体。当推杆和活塞在弹性势能和高压气体的共同作用下，将压缩气体充进储气罐(9)，回归到图1的状态。气缸底部有一圈弹性橡胶，当活塞运行至气缸底部压到橡胶圈时，在橡胶圈弹性和在活塞下凹处仍留有一小部分高压气体的共同作用下，使活塞再一次推向上运行，重复上一过程。往复循环，而连续做功。
该项发明在初次启动时需打开开关K供电产生电火花，之后就靠放电极和压电材料的相互撞击产生电火花，无需再供电。连续工作后，爆燃物质发生化学反应产生的气体和残渣，通过所打开的导气门(19)导进缸体(4)，再压进储气罐(9)中。若要停止工作，可以关闭供爆燃物质开关阀；也可不必断供原料，只要打开气缸底部的气阀(14)，将活塞凹的高压气体释放，活塞和推杆就不再向上运动而停止工作。
该项发明所用爆燃物质可以是粉尘、混合气体等。送料口图6中所用开关片(6)的作用为开关输料门(21)，使爆燃物质等量输入。当活塞到底时，输料门(21)是关闭状态，当推杆向上移动时输料门(21)打开，此时输入的爆燃物质被推杆挡住，输进的爆燃物质充满在开关片(6)所在的空间。当推杆回到底端时，输料门(21)被关闭，只剩输料门外的开关片(6)所在空间的爆燃物质。这一小部分爆燃物质将被推杆(5)推入滑道，同时推动开关片(6)将输料门又打开，再一次充进爆燃物质。推进滑道的爆燃物质被继续推入由周围压电材料形成的反应腔，在推杆(5)的顶端压电材料(16)与放电头(20)相互撞击下，产生电火花使爆燃物质发生爆燃。推杆(5)上下重复循环推动开关片(6)，再由开关片控制的输料门(21)每次能间隔地等量供给爆燃物质。
除火炸药外，产生爆燃的物质很多，例如金属粉尘、塑料粉尘、农作物粉尘等，还有一些CO、H2等气体在一定浓度下都可以发生爆燃。每次供给高浓度爆燃物质的量很少，经过滑道和反应腔空间的扩散，使其浓度至爆燃浓度的下限值，然后再经过推杆压缩至爆燃浓度下限值以上。在反应腔中无论是粉尘、还是可爆燃气体，使其处在爆燃浓度范围内，通过电火花引发爆燃，所释放的能量使压电材料发生形变而产生电荷，通过高压整流电路，图7所示，将所产生的电能储存在超级电容Cw中。该发明装置是将爆燃所产生的瞬态能和高压气体连续地转换成电能，并通过高压整流电路存储在超级电容中。
Claims (5)
1.获取瞬态能装置由一个或多个带有活塞盖(13)的储料缸(10)、(11)、(12)和压电材料片(17)、压电材料叠管(18)、压电材料柱(16)、放电极(20)、开关片(6)、输料门(21)、推杆(5)、活塞(15)及高压整流电路(图7)组成，其特征在于：由压电材料片(17)、压电材料叠管(18)和压电材料柱(16)形成爆燃反应腔，压电材料片(17)和压电材料叠管(18)的两极并联接至高压整流电路(图7)的输入端。
2.根据权利要求1所述的获取瞬态能装置，其特征在于：压电材料柱(16)撞击联接压电材料片(17)的放电极(20)产生电火花。
3.根据权利要求1所述的获取瞬态能装置，其特征在于：压电材料片(17)、压电材料叠管(18)和压电材料柱(16)受压力作用时会在两端面间出现电压的材料。
4.根据权利要求1所述的获取瞬态能装置，其特征在于：一个或多个储料缸(10)、(11)、(12)有活塞盖(13)挤压盛装的粉尘、可燃气体和氧气。
5.根据权利要求1所述的获取瞬态能装置，其特征在于：高压整流电路(图7)将正半周和负半周电流分别存在两个超级电容Cw中。
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