TW201505350A - 用於產生電能之裝置及方法 - Google Patents

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TW201505350A
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Paiva Gerson Silva
Da Silva Sebastiao Florentino
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Arion Tecnologia Brasil Gest O De Ativos S A
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Abstract

本發明係有關於一種用以產生電能之用途之渺子(muonic)發電機，其發電機可連接於具有一功率低於所述發電機所產生之功率之至少一電源(1; 2)。依據本發明之發電機包含：a)至少一外部電線圈(7)；b)至少一內部電線圈(13)，實質上位於外部電線圈(7)之內；以及c)振盪器(4)。振盪器(4)係連接於所述電源(1; 2)與所述外部電線圈(7)之間。當外部電線圈經由預先調整以發出對應於針對渺子之康普頓頻率的特定比率(certain fraction)之頻率的振盪器(4)來連接至電源(1或2)時，渺子能量係藉由內部電線圈(13)所吸收，且此能量可用以供給任何外部負載(14)。此渺子能量可顯著地大於電源(1; 2)之功率。

Description

用於產生電能之裝置及方法 【0001】
本發明是有關於一種藉由渺子(µ)衰減之方式用於產生電能之裝置及方法，渺子係源自於稱為π介子(pions)之宇宙粒子。
 【0002】
雖具有相同自旋(1/2)及相同電荷，渺子為具有質量大約為電子的200倍大之基本粒子，稱為電子之「第二世代成員(second generation partner)」。其係於1937年在宇宙射線中發現。此粒子不會被強交互作用影響，且僅參與弱及電磁交互作用。渺子非常不穩定，且具有2·10-6 的生命期，且通常在電子、µ-微中子(µ-neutrino)及電子-微中子(electron-neutrino)中衰減。
【0003】
就目前所知，光子發電機存在，稱為太陽能電池，能夠自太陽擷取稱為光子之光線粒子(太陽能面板)，並且將其轉換為電能，例如美國專利文件第20090127773號。然而，此技術由於其依賴陽光而受到氣象限制，因而限制了工業上的應用性。另一方面，存在稱為渺子檢測器之裝置；例如參見美國專利文件第20090101824號。這些裝置具有檢測或計算源自自然到達地球表面之宇宙射線之渺子數目之功能，而未利用其產生電能。然而，這些粒子具有非常高的能量，通常為3至4 GeV。這個事實在巴西物理學雜誌(「Revista Brasileira de Ensino de Física」)，第29卷，第4期，頁數585-591 (2007) (Brazilian Journal of Physics Teaching (「Revista Brasileira de Ensino de Física」), volume 29, No. 4, pages 585-591 (2007))中提到，其係關於渺子檢測之簡單實驗之教學文章及關於粒子生命期之討論。然而，此文章並未提到自渺子取得能量的可能性。
【0004】
參考文獻亦涉及美國專利第7 863 751號，其係描述渺子之檢測。然而，如此專利名稱所述，其僅關於渺子之檢測，而非渺子固有能量之擷取器(captivator)。
 【0005】
有關本發明之第一次申請係於2012年10月5日申請，其專利號為PCT/BR2012/000382。
【0006】
因此，本發明之主要目的係提供一種可使用渺子固有之能量來產生能量之裝置。
【0007】
本發明之再一目的係產生無關氣象條件之能量。
【0008】
本發明之另一目的係使用不會汙染環境之能源。
【0009】
非常出乎意料地，依據申請專利範圍第1項所定義之特徵，這些目的係經由取得渺子固有能量及將其轉換至電能之裝置而達成。
【0010】
渺子通量在地球表面之數量級約為10-4 /m2 ·s，且因此渺子之通量為微不足道的。舉例來說，為達成760kW(等於4.7·1015 eV/s)的功率，考慮各個渺子具有4 GeV的能量，要具有流量之數量級為1015 渺子/秒(muons/s)。為補償所述極度微量之流量，其將需要以等於多個城市之區域之區域的線圈來增加渺子之擷取區域，此為完全不可能的。然而，且出乎意料地，依據本發明之裝置可擷取足夠數量的渺子以使自空氣之渺子能量之可實際取得，且具有小於半個平方公尺的高度節約區域。不限於可能的物理理論，據信解釋如下所述：
【0011】
磁鐵具有「封閉(closed)」及「開放(open)」場線，其係形成介於其之間的趨於零之角度θ。同樣地依據發明自渺子發電機之主線圈之磁場亦具有兩種類型之磁力線。因此「開放(open)」場線傳遞至包含渺子形成之區域之高海拔，於10 公里之海拔高度，形成頂部「開口(opening)」可具有半徑為好幾公里之磁性隧道。這些線將令大氣中的渺子直射本發明之發電機之線圈，其直徑例如僅為幾公分。因此，線圈之磁場係作為渺子汲極，其係即時振盪。此場之振盪之頻率具有波長λB ，其係為渺子之康普頓波長(Compton wavelength)λC (λB = n·λC = n·5.88x10-23 m)之多重比率(fraction multiple)，使得使用於擷取(captation)過程中之磁場之能量盡可能地減少，且僅具有渺子之選擇性。上述整個過程係應用於其中渺子發電機之線圈水平地、垂直地或介於兩者之間的任何角度而存在於其軸線之例子。
【0012】
我們計算於渺子發電機中760kW的輸出功率所需之大氣中的渺子之檢測區域。已知地球表面每秒每平方公尺平均具有104 個渺子。在對流層之頂部，海拔高度大約10 km，渺子率係大於地球表面的十倍。因此，海拔高度10 km，渺子率為φ=105 渺子·公尺-2 ·秒-1 (muons·m-2 ·s-1 )。渺子發電機之功率輸出為P=760 000 W or 4·1024 eV s-1 = 4·1015 GeV s-1 。考慮各個渺子之能量為Ei = 4 GeV，且在對流層之頂部，藉由「磁錐體(magnetic cone)」所擷取，流量為 φ = 105 渺子·m-2 ·s-1 (muons·m-2 ·s-1 )，且總能量為
               (1)
【0013】
將數值插入方程式1，得到E = 4 × 105 GeV·m-2 ·s-1 。
【0014】
針對渺子發電機產生每秒ES = 4·1015 GeV之輸出功率，將需要下列區域
      (2)
【0015】
A = 104 km2 。換言之，在海拔高度10 km之磁錐體之「嘴巴(mouth)」之半徑應為R 50 km。
【0016】
每個渺子可藉由將振盪器調整至波函數之頻率來擷取。因此，渺子線圈能夠將粒子形式之大氣渺子流擷取及集中(concentrating)(收斂(converging)，引導(directing))至本身。
【0017】
已知電功率可藉由下列關係式表示：
【0018】
P = U · i
【0019】
其中：P = 電功率(kW)、U = 電壓(V)以及i = 電流(A)。
【0020】
下列表1係顯示自藉由本發明專利之標的之過程及裝置之方式(第1圖)所執行之測試所獲得之結果。
表1
 
【0021】
其可藉由表現係數(coefficient of performance, COP)之方式來觀察 – 定義為渺子發電機之輸出功率與輸入功率之間的比率 – 以小輸入功率可將來自宇宙射線之渺子轉換至大量的電能，而未危及環境或發出輻射。
【0022】
自渺子發電機之電壓輸出係為依據4個變數之函數：
V = F (f, D, N, L)；
【0023】
其中f為振盪器之頻率，D為線圈之直徑，N為線圈之圈數，以及L為線圈之長度。大氣中的渺子可滲入約1 km之地底以及約2 km之海洋。此外，其僅形成於海拔高度小於12 km。因此，這些距離係限制渺子發電機之應用性(功能性)。另一方面，渺子在12 km之濃度約為其在地球表面之濃度的十倍。因此，為了產生電能，在高山上之固定的發電機係為感興趣之選擇。磁力係異常地存在於南美之大氣中，使得宇宙射線(渺子)之濃度約為其他已記錄之區域(非異常)之三倍。此事實可用以在磁力異常之區域中達成更高產出之渺子能量。
【0024】
渺子發電機具有廣泛的工業用途，具有產生電能之用途以用於一般消耗(工業、商業及居住)、機動車輛(船、火車、飛機、直升機、潛水艇等)及其他傳輸工具、其他依賴電力之裝置，如液壓泵、壓縮機、收音機、電話等。
1‧‧‧電源
2‧‧‧電池
3‧‧‧反相器
4‧‧‧振盪器
20‧‧‧電感濾波器
6‧‧‧火花隙
7、13‧‧‧線圈
8‧‧‧磁場
9‧‧‧渺子
10‧‧‧宇宙射線
11‧‧‧電子
18‧‧‧功率
22‧‧‧制動器
23‧‧‧平滑濾波器
24‧‧‧整流器橋
25‧‧‧高壓閘流體架橋
26‧‧‧輸出濾波器
27‧‧‧三相電容
28‧‧‧三相變壓器
30‧‧‧絕緣層
32‧‧‧可程式積體電路
35‧‧‧配線
21、36‧‧‧線路
39、G、I‧‧‧二極體
R、S、T‧‧‧出端
D‧‧‧石英晶體
B、C‧‧‧陶瓷電容
H‧‧‧濾波器電容
J‧‧‧限流電容
E‧‧‧電容
F‧‧‧電阻
K‧‧‧變壓器
【0025】
第1圖繪示渺子發電機具有其基本部件之線路圖。
【0026】
第2圖繪示具有高表現係數(Coefficient of performance, COP)之另一種渺子發電機之電子-機械之示意圖。
【0027】
第3圖繪示渺子發電機之上部(沿著直徑)以及沿著渺子發電機之線圈之軸線之部分之示意圖。
【0028】
第4圖繪示將渺子發電機之輸出電壓轉換至用於任何工業負載(如三相馬達)之三相正弦波之頻率反相器之細部結構之示意圖。
【0029】
第5圖繪示振盪器內之耦接之示意圖。
【0030】
第6圖繪示將來自宇宙射線之渺子之衰減經由來自此衰減之電子之高流量擷取及轉換至電能之物理過程之流程圖。
 【0031】
第1圖中的渺子發電機係由電力網之主電源1或電池2所構成，後者係連接至將來自電池之直流轉換為交流之反相器3。所述源之主電源1或電池2經由電感濾波器5之保護來供給振盪器4，振盪器4的頻率為渺子之康普頓(Compton)波長之多重比率(multiple  fractional)，而振盪器之端點串聯火花隙6及外部振盪線圈7，外部振盪線圈7係產生變化振盪磁場8，具有相同於振盪器之頻率，能夠吸引及集中來自宇宙射線10之渺子9。在所述線圈之中心，渺子於線圈之中心腔體38自發地衰減(分裂)成大量電子11(一個渺子變成一個電子)，直到其藉由內部線圈13之電線以電力之形式所吸收，在轉換成可用之電壓後，其將經由三相負載之反相器15供給任何外部負載14。反相器15之輸入係表示為參考符號33且輸出為34。因此，渺子電子初始具有高速，且在被自然地吸收之內部線圈13之方向傳遞。在此路徑上，當在線圈之核心12與原子(主要為碳)碰撞時，其經歷速度上的衰減。依據欲產生之電壓，兩個或更多線圈可串聯或並聯，當串聯時，電壓隨著關聯線圈之數量而趨於增加。線圈之中心腔體38通常為圓柱形，但亦可為截頭圓錐形。較佳地，此腔體容納空氣。
【0032】
如所屬技術領域之通常知識者所知，電子振盪器為產生重複電子訊號、頻繁正弦波或方波而不需施加外加訊號之電子電路。振盪器係基於放大器電路及反饋迴路，其感應(induces)會使振盪之操作不穩定。
【0033】
多種類型之振盪器可用於本發明。例如哈特萊(Hartley)振盪器(其結構藉由此參考包含於此描述中)，其係為一種LC振盪器，即當所產生之訊號之頻率係藉由線圈及電容來決定。當電路開啟時，電阻極化電晶體之基極接近飽和，因此造成傳導。強電流於集極與電源供應器之間流動，經由線圈連接中心插座。此結果係為線圈之一半電流感應出相同線圈之另一半電流經由電容重新施加於電晶體之基極。
【0034】
電網通常表示來自家電設備之無數雜訊，如切換模式電源供應器及電力馬達。這些雜訊高達20kHz之頻率。這些高頻雜訊可能負面地干擾渺子發電機之功能。因此所述電感濾波器5係用以消除網路之雜訊，藉此保護發電機免於這些不良的干擾。此電感濾波器之結構係為所屬技術領域之通常知識者所知。
【0035】
第3圖繪示依據本發明之雙線圈之較佳組成。其包含所述外部線圈7連接所述振盪器4且串聯所述火花隙6。此火花塞可藉由工業氣體火花隙或氧化鋅之火花隙所構成，皆為市場上所習知。火花電壓(sparking tension)已詳述於商業元件。舉例來說，火花隙於300V、400V等傳導。換言之，所傳導之電壓係為元件之本質特性。
【0036】
所述火花隙串聯振盪器4及外部線圈7，且具有放大磁場以吸引及集中渺子之用途。外部線圈7可由銅線製成。然而，可使用其他良好導電性之金屬或合金，如鋅、銀、金、青銅、黃銅等。線包含市場上商業化類型之絕緣材料之圓柱層，如鐵氟龍(teflon)、乙烯基(vinyl)等。依據功率及電流源，依據電流，線路可具有介於0.5 mm及5cm之間的直徑。同樣依據電流，線圈7可具有2 cm至1 m之半徑及10 cm至10 m之長度。外部線圈7可具有一或多層線，但較佳地，僅具有一層。鄰近線圈之圈應沒有間距或小於0.1 mm之間距。
【0037】
內部線圈13較佳地支撐於核心或支撐件12上，其係由電絕緣材料所製成。因此，此支撐件12可為PVC管或任何其他塑料材料。雖次佳地，其亦可為磁性材料，如亞鐵鹽。通常地，由於必須承受外部負載由幾瓦至幾千瓦，故內部線圈13應以較外部線圈7還要厚的線路製成。因此，依據外部負載之電流，內部線圈13的線路可具有介於1 mm及10 cm之間的厚度。兩線圈可具有相同長度。內部線圈13可具有一或多層，但較佳地，其亦應僅具有一層。兩線圈7及13之間實質上係為圓柱絕緣層30。其可由合成高分子、聚丙烯(polypropylene)、鐵氟龍、PVC等所製成。絕緣層30之厚度可於0.5及20 mm之間。
【0038】
核心12之外徑較佳為5 cm至1 m。核圓柱(=12)之厚度為1至10 cm。核心12實質上具有相同於兩線圈7及13之長度，或為實際理由，所述核心稍長於雙線圈7、13。
【0039】
第2圖繪示渺子發電機之特定應用，具有增加其額定電流之用途，其中出端為馬達16，馬達16之軸線之末端所在連帶金屬盤17。所述馬達16係藉由頻率反相器或「ESC」(電子速度控制器(Electronic Speed Controller))37來觸發。所述反相器及ESC皆為習知商業產品。電感濾波器20保護渺子發電機不受馬達16之突波(surges)影響。連接反相器15之負載14係藉由來自線圈13之渺子電子且同時藉由來自發電機馬達16之轉動位移之電子來供給。此使得輸出功率18-19獲得更大的功率，其係經由反相器15傳導至負載14，其通常(但不一定)為三相。
【0040】
依據第2圖，線圈13之渺子能量係經由電感濾波器傳送至馬達16，其中係加入由發電機馬達16及圓盤(disc)17之轉動位移所產生之能量，且接著此能量係藉由線路(wire)或配線(line)35及線路(wire)或配線(line)19引導至反相器15。線路36僅用以啟動馬達16。當後者具有三相時，線路38為反相器37之第三出端相。
【0041】
第4圖繪示反相器15藉由一對線路21之方式連接至渺子發電機，其中反相器由通常以氧化鋅(ZnO)所製成之制動器(arrester)22、平滑濾波器(smoothing filter)23、並聯整流器橋(rectifier bridges)24、高壓閘流體架橋(high tension thyristor bridge)25、輸出濾波器26、三相電容27及用以減少高壓之三相變壓器28所構成。變壓器之三個出端通常稱為R、S及T。繪示於第4圖之此單元本身係已知，且通常於商業上訂購。
【0042】
第5圖繪示渺子發電機之振盪器4，其係由高頻負電阻之振盪器所構成，基本上由共振電路29所形成，如電感-電容電路(例如晶體或共振腔)，其係與具負微分電阻(例如穿隧二極體或耿氏(Gunn)類型之二極體)之裝置39連接，且施加於供給振盪器之電源供應器之直流極化電壓及可程式積體電路32類型16F628之兩個預編碼端係用以設定振盪器之頻率。要使用之兩端以標準參考值15及16確定。
【0043】
依據較佳實施例，振盪器4具有由共振器29所構成之結構，藉由振盪石英晶體D及兩個陶瓷電容B及C所形成。當經由端點15及16連接可程式積體電路32時，共振器29共振。PIC(可程式積體電路(Programmable Integrated Circuit))32係經由接腳5及14供給來自限流電容J及整流器二極體I所組成之電源之5V之電壓，且電阻F具有電阻值約10 000 Ohms。再者，5V之電壓係藉由用以降低漣波(ripple)電壓之濾波器電容H(為所屬技術領域之通常知識者所知)及稽納(Zener)二極體G所提供，其固定(fixates)所期望之電壓以供給PIC 32。在本範例中，二極體G為5V。電阻F連接PIC 32之接腳4。線圈7之激發(excitation)係來自經由穿隧或耿氏二極體39及經由火花隙6所循環之接腳17，其啟動小變壓器K之主線圈，產生及傳送系統之振盪至藉由電容E及主線圈7所形成之儲槽電路或LC電路。火花隙6之目的係藉由線圈7中之電容E放電(或實際上為短路)之方式來產生磁場之峰值。實際上，火花隙作為LC電路中之ON/OFF開關。「儲槽電路(Tank circuit)」或LC電路係為基本上由電容及線圈所形成之二次振盪電路之名稱，在上述例子中為線圈7及電容E。穿隧或耿氏二極體39係插入振盪器4中以作為第三個體振盪元件，目的係將共振器29及線圈7與電容E之LC電路之頻率加入其頻率。絕緣及提升變壓器K係與共振器29作為所述LC電路以及二極體39之間的絕緣體。
【0044】
第6圖繪示將來自宇宙射線之渺子之衰減經由來自此衰減之高能量電子之方式擷取及轉換至電能之物理過程之流程圖。如第1圖及第2圖所示，電能產生之過程係依據來自主要宇宙射線之π介子(pions)之渺子之存在。渺子係藉由作為天線之振盪線圈7所產生之磁場來集中及引導，於內部渺子衰減成高能量之渺子電子。這些電子進入位於第一(7)內部座落之第二線圈13之線路中，導致電力在其端點為高壓形式。當適當地施加至任何外部負載時，此高壓能夠運作。
【0045】
如上所指出，振盪器4係調整至波函數之頻率以相對於上述方程式λB = n×λC = n × 5.88 × 10-23 m之核心12之中心擷取藉由渺子之衰減所產生之能量係為本發明之基本特徵。實際經驗上，其係建立的是，λB 應約為5.88324456243 × 10-23 m。此波長係藉由「晶片(chip)」或積體電路PIC(可程式積體電路(Programmable Integrated Circuit))之方式非常精準地得到，其係程式化以精確地在此波長振盪。積體電路之程式化係藉由PIC商業程式之方式來完成。儘管有上述對專利之繪示及描述，然而對所屬技術領域之通常知識者來說，某些修改及改變可發生。值得注意的是，因此，下述申請專利範圍係意在涵蓋所有可能的修改及改變，包含那些多於一個裝置之聯合或結合所得出之結果，其可在不改變其目的下由本發明產生。
【0046】
範例1
【0047】
9 V及0.1 A之商業電池(因此為0.9 W)，其係以長度25 cm之外部線圈7以及3 mm且半徑為5 cm 之銅線連接第1圖之裝置。內部線圈亦由銅所製成，具有5 mm且半徑為大約4 cm之線路。「晶片(chip)」或積體電路PIC (32)(可程式積體電路(Programmable Integrated Circuit))係程式化以在振盪器4中之上述波長λB 振盪。僅作為範例，可使用哈特萊(Hartley)類型振盪器。已經預先程式化以發出上述定義之λB 之「PIC」32係插入第5圖中。此實驗中所使用之負載由15個110 V、60 W之燈泡所構成，因此總電荷為900 W。非常出乎意料的是，所有燈泡點亮後具有對裸眼之照度及正常亮度。此導致COP為1000，由於大氣中的渺子之擷取。
【0048】
範例2
【0049】
再次參照第1圖，在此範例中，電源1由110 V及19 A之家庭網路所構成。在出端33、34測量之功率為40 000 V及19 A。此表示功率增加380倍。此資料表示於上述表1中。顯然地，此出乎意料高之增加係源自渺子電子之能量。
國內寄存資訊【請依寄存機構、日期、號碼順序註記】
無
國外寄存資訊【請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記】
無
無
1‧‧‧電源
2‧‧‧電池
3、15‧‧‧反相器
4‧‧‧振盪器
5‧‧‧電感濾波器
6‧‧‧火花隙
7、13‧‧‧線圈
8‧‧‧磁場
9‧‧‧渺子
10‧‧‧宇宙射線
11‧‧‧電子
12‧‧‧核心
14‧‧‧負載
33‧‧‧輸入
34‧‧‧輸出
38‧‧‧中心腔體

Claims (12)

  1. 【第1項】
    一種用於產生電能之渺子發電機，其中該發電機連接於具有功率低於該發電機所產生之功率之至少一電源(1; 2)，其中，該發電機包含：
    a) 至少一外部電線圈(7)；
    b) 至少一內部電線圈(13)，實質上位於該外部電線圈(7)之內；
    c) 一振盪器(4) ；
    該振盪器(4)係連接於該電源(1; 2)與該外部電線圈(7)之間。
  2. 【第2項】
    如申請專利範圍第1項所述之發電機，其中，一火花隙(6)係串聯該振盪器(4)，位於該外部電線圈(7)與該振盪器(4)之間。
  3. 【第3項】
    如申請專利範圍第1項所述之發電機，其中，一非導體材料之一核心或一支撐件係插入該內部電線圈(13)之內。
  4. 【第4項】
    如申請專利範圍第1項所述之發電機，其中，該振盪器(4)係調整至波函數之頻率以擷取由渺子之衰減所產生之能量，對應於該頻率之波長λB 大約為5.88324456243 x 10-23 m。
  5. 【第5項】
    如申請專利範圍第4項所述之發電機，其中，該波長係藉由一晶片或一積體電路PIC(可程式積體電路(Programmable Integrated Circuit))之方式而精確得到，程式化以該波長精確地振盪且插入該振盪器(4)中。
  6. 【第6項】
    如上述申請專利範圍任一項所述之發電機，其中，具大於該電源(1; 2)之功率之功率之電能係產生於該內部電線圈中，且傳導以供給任何外部負載。
  7. 【第7項】
    如申請專利範圍第6項所述之發電機，其中，通常於轉換成可用之電壓之後，該外部負載係藉由具有三相電荷之一反相器(15)之方式供給。
  8. 【第8項】
    如上述申請專利範圍任一項所述之發電機，其中，一電感濾波器(5)係插入該電源(1)與該振盪器(4)之間以保護該振盪器。
  9. 【第9項】
    如上述申請專利範圍任一項所述之發電機，其中，當該電源(2)為直流時，將直流轉換為交流之一反相器(3)係引入該電源(2)與該振盪器(4)之間。
  10. 【第10項】
    使用發電機產生電能之方法，該發電機係連接至具有功率小於該方法所產生之功率之至少一電源(1; 2)，其中，該方法包含：
    a) 提供至少一外部電線圈(7)；
    b) 提供至少一內部電線圈(13)實質上位於該外部電線圈(7)之內；
    c) 提供一振盪器(4)連接於該電源(1; 2)與該外部電線圈(7)之間；
    d) 調整該振盪器以在一波函數之一頻率振盪，以擷取由渺子之衰減所產生之能量，該能量係吸引至由該外部電線圈(7)所產生之磁場；
    e) 引導藉由該內部電線圈(13)所吸收之渺子電子至任何負載。
  11. 【第11項】
    如申請專利範圍第10項所述之方法，其中，一火花隙(6)係插入該振盪器(4)與該外部電線圈(7)之間。
  12. 【第12項】
    如申請專利範圍第10項所述之方法，其中，該振盪器(4)係調整至該波函數之該頻率以擷取藉由渺子之衰減所產生之能量，其中對應於該頻率之波長λB 大約為5.88324456243 x 10-23 m。
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