—論大氣對流層能源開發


大氣對流層的發現已有數百年的歷史，至今為止人們對於它的研究主要在於氣候、污染和升溫等方面，對於其中蘊藏著的巨大能量則少有實質性的研究。若能有效地開發對流層大氣能源，可望數年內解決能源緊缺和環境污染兩大世界難題……
（一）對流層及其對流規律
眾所週知，地球表面覆蓋著一層厚重的大氣，其中垂直于地面8000m~18000m的高度叫對流層。對流層內的空氣垂直運動顯著，是冷熱氣流交換的主要形式，與人類和動植物的生存息息相關的各種天氣現象主要發生在這一層。在赤道地區對流層頂的高度約18000m，中緯度地區約12000m，極地地區約8000m。夏季的對流層厚度大於冬季。80%的大氣品質集中在對流層 。
對流層內空氣的溫度呈垂直遞減趨勢，即每上升100m，溫度降低0.65℃。對流層頂部的溫度低達-60℃。 由於對流層大氣“低暖高冷”，地面熱空氣總是處於上升趨勢，而對流層上部的冷空氣總是處於下降趨勢，故發生對流運動。
（二）大氣對流的原動力
在對流層內，其底部（即地球表面），太陽光加熱地面空氣，使其密度減小，重量減輕，類似熱氣球，具有上升趨勢；在對流層上部，空氣冷卻，相對密度增大，因地心引力作用，具有下降趨勢。大氣對流的原動力來源於太陽輻射和地心引力。然而，在一般狀態下，這種升降速度緩慢，僅為1㎝~10㎝/s，遠未達到實際應用的程度。那麼，能否製造一種局部環境，使這種對流加速、能量釋放加快呢，答案是肯定的！
（三）對流層能源開發方案——人造龍捲風發電
對流層內，空氣強對流時常引發龍捲風。龍捲風的發生主要是由於大氣梯度溫差所引起。產生龍捲風時，地面氣溫常是攝氏二十幾度，越往高空，溫度越低。在積雨雲頂部八千多米的高空，溫度可低達攝氏零下五十度左右。這樣，對流層上部的冷空氣急速下降，地面的熱空氣猛烈上升。上升氣流到達高空時，如果遇到很大的水準方向的風，就會迫使上升氣流“倒挂”(向下旋轉，滾筒似運動)，逐漸形成一個呈水準方向的空氣旋轉柱。然後，這個空氣旋轉柱的兩端漸漸彎曲，其中一端從雲底延伸下來。對積雨雲前進的方向來說，從左邊伸出雲體的叫“左龍卷”，從右邊伸出雲體的叫“右龍卷”；前者為順時針旋轉，後者為逆時針旋轉。在北半球，伸到地面的一般是右龍卷。龍捲風的形狀表現為從積雨雲底部向下伸出似“象鼻子”一樣的漏斗狀雲柱，有時可到達地面或水面，達地面者人們稱為“陸龍卷”，達水面者稱為“水龍卷”。龍捲風的直徑一般在幾米到幾百米之間，持續時間短，僅為幾分鐘到幾十分鐘。但是，其風速極快，最大風速可達到100~200m/s，含有巨大的能量，所以破壞力極大，可拔樹倒屋，對生命財產造成嚴重的損失。
自然界的龍捲風難於駕馭，無法對其加以利用。但是，若能人工製造可控制的龍捲風，用其利，避其害，則可為人類提供無限的綠色能源。
龍捲風的巨大威力在於氣流旋轉所致龍卷中心的氣壓極低，可低達200百帕左右（標準大氣壓是1013百帕），故具有強烈的“抽吸”（上升型龍捲風）地面物體的作用或向地面“噴射”（下曳型龍捲風）氣體的作用。在自然界，當龍捲風渦旋直徑為200m時，其功率可達3萬兆瓦，相當於10座巨型電站的功率。
既然龍捲風的直徑可以小至幾米，那麼人工製造“龍捲風”就是比較容易辦到的事了。
首先，利用對流層空氣上升與下降的規律，使空氣快速流動。方法是沿陡峭山體或高層建築（或高支架）搭建大口徑“人造龍捲風生成管道”（內直徑3m以上），垂直高度達到1000m（沿山體斜行搭建）左右或500m（沿高層建築或支架垂直搭建）左右。這樣，可獲得6.5℃或3.25℃左右的梯度溫差動力，為熱空氣上升或冷空氣下降創造了一個局部環境，空氣流即可在管道內快速上升或下降。筆者所做的模擬實驗觀察到：垂直高度50m的塑膠管道，人工造成兩端溫差（下端溫度高於上端），當溫差達0.5℃時，即可觀察到管道內空氣顯著流動，且溫差越大空氣流速越快，平均空氣溫度每升高1℃，風速增加5m/s；另外還觀察到，若管道高端有自然風，也會加快管道內空氣流速。
利用對流層溫度隨高度遞減規律，通過搭建大口徑管道，達到相應的垂直高度，獲取足夠的梯度溫差，即可為“人造龍捲風”提供原始動力。對於上升型人造龍捲風來講，類似于煙囪抽吸煙塵，或類似于喀斯特地質區常見的四季吹風的“涼風洞”，或 類似于“連通器”效應。一旦大口徑管道內氣體流動，即可引發一萬多米高的大氣柱（無形）以每平方米約10噸的重力向管內壓迫。
其次，是在大口徑管道內壁鑄造或安裝間斷性螺旋脊（類似螺母的脊），利用這種固相結構迫使管內流動氣體沿螺旋脊旋轉，從而形成中心呈負壓的高速氣旋，由此產生龍捲風效應。且這種螺旋脊鑄造為“機翼形”，即一側水準，另一側弧形。弧形面氣流速度較快，壓力較小，因其管道係固定，所以驅使氣流向壓力小的方向流動。弧形面朝向氣流前進的方向，使氣流前端壓力小于後端壓力，以加速氣體向前流動。
用這種裝置及方法，可以獲得五種動力：一是大氣梯度溫差產生的空氣溫差動力；二是對流層氣柱（無形）高出人造龍捲風生成管道頂端平面的氣柱壓力（連通器效應）；三是氣流在管道內旋轉產生的氣旋中心負壓（上升型龍捲風效應）或正壓（下曳型人造龍捲風）；四是“機翼形”螺旋脊產生的氣流壓差動力（升浮力）；五是管道高端經常性的自然風對管道內空氣的“抽吸力”。一旦管道內空氣流動，這五種力即產生綜合作用而形成強大的龍捲風效應。利用這種裝置及方法，既可以製造“上升型人造龍捲風”，也可以製造“下曳型人造龍捲風”。製造上升型人造龍捲風生成管道時，北半球鑄造為逆時針上升螺旋脊，南半球鑄造為順時針上升螺旋脊。製造下曳型人造龍捲風生成管道時，北半球鑄造為順時針下降螺旋脊，南半球鑄造為逆時針下降螺旋脊。這樣，氣體上、下流動均可以得到充分利用，如若大力開發，對流層的大氣完全能夠滿足人類對綠色能源的需求。
原則上，在對流層一定範圍內，鋪設管道的垂直高度越高，梯度溫差越大，氣流速度越快，氣流動力越大；管道內徑越大，單位時間內流量越大，其功率越大；管道坡度越陡，氣流阻力越小，流速也越快。所以，人造龍捲風的功率主要取決於龍捲風生成管道內徑、垂直高度（梯度溫差）和陡度。具體操作時，可根據設計規模要求不同而定。一處陡峭高山，既可以建造上升型人造龍捲風發電裝置，也可以同時建造下曳型人造龍卷髮電裝置。一套人造龍捲風生成管道設備可連接安裝一個至數個大功率風力發電機組。這樣，一處適宜山體可以鋪設一條或數條龍捲風生成管道，這樣可達中型至大型的人造龍捲風發電站。
人造龍捲風發電是一個全新的綠色能源領域，其原理易懂，結構簡單，建造容易，綠色環保，安全可靠。它克服了目前自然風能發電所存在的“能量密度低，不穩定，地區差別大”三大缺陷，是一種強大、持久、穩定，取之不盡，用之不竭綠色能源。
人造龍捲風發電技術可在世界多數國家和地區推廣，如果普遍展開，可望20年左右取代礦石燃料及核能發電，有效地緩解世界能源緊張狀況，減少地球環境污染，延緩地球溫度上升，改善人類生存環境。
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