魏焱明
挑戰Tesla:固液相變的“魏=川普引擎”開始發力
2018-7-17 07:02
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标签:新能源, 電動車, 鋰電, 相變, 熱機

編者按:

    本文是我上一篇博文的重發。原本設想科學網主要面向大陸讀者,沒想到本文意外釣出一大撥台灣科研同行,他們私信給我要求電郵一份正體字版本,因為他們閱讀簡體字感覺彆扭不暢。看來科學網的口號“構建全球華人科學博客圈”不假,真的是面向了全球華人學者。也好,都是中國同胞,兩岸一家親嘛,我就不一對一發繁體版,直接將此文轉換為正體字,再發一次。其實台灣同胞也可以用有關軟件工具,自行轉換大陸字的,可網上搜索。重發時將原標題做了更搶眼的修改,但我申明絕非標題黨,請閱後明鑑。


一、熱機的種類

熱機的種類不是那麼多。自蒸汽機發明以來的科技進步史,見證了種類創新之艱難。

傳統物理熱機類,絕大多數都是基於液氣閉合朗肯(Rankine)循環,少數是氣相循環的,例如斯特林(Stirling)熱機;

燃燒類熱機,則為開環式燃氣消耗性循環,如內燃機、氣輪機等。

我不滿足於在現有種類上,搞小改小革的發明,乾脆一不做二不休,直接創造革命性的新種類:固液相變多缸封閉循環的新一類熱機。

為何現有機種沒有一個膽敢甩掉氣相呢?慣的,全是慣的,都被大氣磅礴的膨脹性慣壞了。就連教科書表述熱力學全部定律時,都要指明氣相的存在!

固相被認為流動性差,沒法參與高速傳質循環,雖然傳熱還湊合。現有熱力學定律表述全部避談固相,儘管這樣,我仍認為全部定律照樣適用含有固相環節的循環。

固相和液相在經歷非相變狀態過程時,熱脹冷縮的尺度甚至小至肉眼不察的程度。若非特立獨行的科學家,豈敢用這個相態做功!好在相變過程的體積脹縮還算看得到,儘管大部分物質的變化率不到10%。

別說當初瓦特發明蒸汽機的年代,現代熱力學學術權威們,又何曾看得上這麼不起眼的膨脹率呢。

所以說,任何人只要拋棄氣相做出熱機,發明者就算是開闢了一個新種類和一片新天地。


二、新種類什麼情況?

當今所有種類的熱機,有一個共同的特點:做功一定是通過氣體膨脹實現的。

我認為,這也正是現有機種的效率,絕大多數達不到卡諾效率一半的原因。而且,低密度氣相的存在導致體量龐大、功率密度低,甚至循環過程的質量守恆,也不見得能保障,例如熱電廠儘管有高聳入雲的冷卻塔,仍然難免排空無法及時凝水的水蒸汽乏氣。有電廠經驗的讀者不妨曬曬數據--排空乏氣的比例。

只有不再依賴氣體膨脹做功,才能從熱機的相態循環徹底去掉氣相。我的新發明正是基於這一出發點,大膽採用固液相變物質(Phase Change Materials, PCM)作為工質。

除了熟視無睹的水外,人們早就熟悉的其它相變物當屬做蠟燭的石蠟。市售的冬天用暖手器,塑料袋裡裝的就是相變物醋酸鈉,裡面的小碟片用手一掰,袋子就會突然發熱,涼了後放到鍋裡煮後,下次又可用了。

相變工質的體積變化,通常在1%至20%之間,例如水10%,豬油15%。這與氣體膨脹的成百上千倍的體積變化相比,低了好幾個數量級。

由做功表達式W = P*ΔV可知,要使新種類熱機與傳統熱機的做功能力不相上下,只好堤內損失堤外補,即體積膨脹的減少,須有壓力的相應數量級增加來補償。

果然,絕大部分相變物質恰好如人所願。例如水這個相變物質,其結冰膨脹壓高達約3000大氣壓,這比熱電廠的做功蒸汽壓大了幾個數量級。冬天未保護好的水管,常可見到凍裂的現象,僅此就可窺見一斑。據報導,有好奇人士測試1寸壁厚的鑄鐵容器的耐凍性,充滿水後置於零下30度以下的戶外,竟然也凍裂了!

其實,任何相變物質,只要有相圖,就可以知其相變壓力,否則只好做實驗測定。學界至今尚無通用相變壓力計算公式,建議相關學科帶頭人嘗試理論推導。

適用的相變工質,必須至少有5%的體積變化,且越大越好。太小則被正常的熱脹冷縮干擾,或者說,期待的高相變壓會被熱脹冷縮抵消,這類似於有用信號被無用的噪聲淹沒。


三、動力傳遞

利用相變壓力做功,可有多種選擇。有人會想到:直接由活塞傳遞此蠻力推動增速齒輪。此法固然不錯,但缺點也不少,尤其不便於遠程輸送,以及多元做功疊加困難。

靈活性好很多的液壓做功,當屬上乘之策。

共軛液壓單元輸出的交流承壓油流,經四隻單向液壓閥橋式整流後,再經液壓流蓄能器“濾波”後,就可以推動液壓馬達了。

液流與電流其實是對偶的,液壓與電壓也這樣。液壓元件與電子元件還可類比:單向閥=二極管,蓄能器=電容器,等等。不像電馬達那樣可有直流和交流兩種選擇,液壓馬達只能是直油流,雖然交油流馬達理論上可行,但製造成本太高,所以市面見不到。

任何熱機要想發電,最後一級一定是發電機。相變熱機的液壓馬達,通過轉軸耦合驅動發電機。

下圖為正在專利申請中的設計圖(US16/021000):

PCM-engine-core.PNG


四、熱功效率

單缸相變熱機的效率大約在5%至10%之間,依所用相變工質而定。寒磣是寒磣點,好在造價十分低廉,也不需要很大的溫差。這一特點注定了適用的構型,必然是多極串聯的,以便大幅度提高效率。

可以輕易證明:串聯的效率提升近似線性增長。

在串聯狀態下,前級做功後的廢熱,全部當作後級的熱源,所以愈往後級,被各級提功後的廢熱愈來愈小,直至末級進入熱沉。

從不切實際的數學角度看,只要級數足夠多,且每級所用相變工質的熔點等於凝固點,就能使最終廢熱為零,也即越獄了卡諾效率。

但實際物理上不是這樣的,因為通常的凝固點要低於熔點少許。使得每級所需承接的最小溫差必須大於某個閾值。

可這樣間接表述熱力學第二定律:任何熱機的效率不得突破卡諾效率極限。

串聯線形增長的良好勢頭,使得多缸相變熱機逼近卡諾效率有了可能。

從實驗結果來看,普通溫差的系統,4缸開始就接近Rankine 循環效率,6至8缸就開始接近Carnot循環效率。總溫差越大,所需缸數所需越多。


cascading-HT.PNG


五、應用前景

1、家居太陽能發電蓄熱

風靡全球的PV光伏電池固然不錯,但不能蓄熱,且PV連同逆變器成本高昂。

下圖展示了新型太陽能集熱與發電配置圖。


solar-trump-engine-small.png

真空熱管可將蓄熱材料加溫至200°C,當然家用熱水器不需要這麼高溫,但用來供應熱機自然就是越高越好。不妨將水箱中水替換為熔點150°C以上的相變物,這樣更能滿足相變熱機對熱庫溫度恆定性的偏好。

如此這般下來,四缸熱機效率25%就很滿意了。考慮到集熱器效率和發電機效率,從太陽能到負載的系統效率仍可達14%,這就與太陽能發電板的矽光電池效率相當了。

2、可充熱包驅動的零排放汽車

舊時代的電車通過兩根“辮子”接上頭頂的電力線,如今可以剪掉“辮子”裝上氫電池了,鋰電驅動的小轎車如今也滿街跑了。那麼,電池是否就是油箱革命後的唯一低碳創新選擇?能否不裝電池,而裝上充滿熱量的熱池跑呢?

也即:不是在街上,而是“躲”在某個角落,把該燒的燃料一次燒完,將燒出來的熱能預存到熱池裡。上街跑的時候,再帶上它作動力慢慢消耗;涼了後,再找個地方充熱至飽滿,以便下次繼續上路。

儘管熱池電池,名字很對仗,但沒人用就繞口,不妨用家喻戶曉的語言,通俗地稱之為燒包

我發明的革命性新種類熱機,吹響了燒包機車時代即將到來的號角!

pcm-car-drawing4-small.png


馬斯克的電動車雖然叫得響,死穴也是明擺著的:昂貴的鋰電池包!

我的這一發明,必將以兩大優勢:低廉的成本 + 充熱方法的靈活多樣性,正面挑戰鋰電池汽車。

從有效能量密度來看,兩者可做到旗鼓相當。這得看我的這個大燒包保溫瓶中裝的是啥相變材料了。計算如下:

相變儲能材料選用鋰基化合物:20% LiF + 80% LiOH,熔點427°C,此溫下的理想卡諾熱機效率57%(假定春天氣溫),熔化熱1163 kj/kg = 323 wh/kg。

不敢奢望卡諾效率57%,但假設用8缸相變熱機可逼近至50%效率,則可輸出機械能密度約160 wh/kg。忽略保溫熱包的泡沫絕熱材料和容器的重量,可見這個數顯然與鋰電池不分伯仲。所以,若特斯拉Model-S的540kg的鋰電包,充滿電能85kwh跑430km,則我這個等重的燒包車充滿熱能後,也應該達到這個譜。

研究遍所有相變材料,要在這個四百多度的溫區,達到與鋰電池同等能量密度,還真只有上述含鋰化合物可以達到。儘管這樣,燒包的成本還是遠低於鋰電,而且省去了鋰電必不可少的配套貴金屬鈷。

注意:燒包內的相變物質,是以儲能為目的,希望相變導致的體積變化率越小越好,以免脹破燒包。所以,不要稱之為工質,免得與做功的缸內相變工質混淆。

只有一項指標,我甘拜下風:能量靜置慢漏。鋰電半個月不用,漏電率估計不會大到開不動車了;而我的燒包靜置4天后也許凝固了,最好重新充熱。

所以說:燒包充熱完後,因該盡快用,不要閒置。這跟開水保溫瓶一個道理,不要放到2天后再拿去泡茶喝。

既然這樣,索性將這種另類新能源車,配置成70kg的小燒包續航里程僅50km,主打上班族市場,早晚用2次上下班,回家每天充熱。這樣就沒有必要向鋰電能量密度看齊,放棄不便宜的鋰基相變材料,專挑廉價的即可,例如硝酸鉀等熔點相似的熔鹽。

至於充熱方式,那就多得很。最簡單的就是:燒包內置大功率電爐絲,市電插頭,方便隨處可充。因為相變熱機效率高到可與熱電廠媲美,所以用市電充熱仍是綠色環保的,就算熱電廠燒煤,環境也不吃虧。

要達到更大的靈活性,燒包內應該內嵌專用換熱器,以供外部充熱循環。這樣的好處是,電力不足的農村車主,可以用煤或柴火爐子充熱。只要做好防火措施,甚至可將爐子隨車帶,隨時想充就充,或像電池浮充電那樣浮充熱。

一旦搞成浮充熱,車子就相當於配置了外燃機,跑車的同時也在燒燃料。此時燒包完全可以進一步瘦身,只要斷火後仍能跑1~2km即可。這時候的微燒包相當於發揮了內燃機大飛輪的作用。

車頂還可以配置一個太陽能高溫集熱板,此法浮充燒包不足以替代外充,但是可以節省正式外充的能耗。

車主家安裝一部大拋物面聚光鏡,用其給燒包充熱將節省大量充熱成本,是值得鼓勵的零碳綠色舉措!


Solar-dish-collector-with-conical-receiver-photographed-by-the-authors.png


至於未來星羅棋布的充熱站,開設成本低廉,不像特斯拉的充電樁那麼昂貴,充熱方式店家可靈活自定,反正司機客人不用傻等,交錢換完燒包就走。

下圖為第一代改裝蒸汽機燒包熱動車,升級改造正在籌資中。

loco-hauk-steam-jeep-lead.jpg

六、與利益集團的衝突帶來的挑戰和機遇

利益集團最滿意當今的內燃機了,因為這種久經考驗和早已技術成熟的熱機,格式化了燃料市場--汽油、柴油、航空油,進而使得龐大的石化煉油工業、相關產業供應鏈、道路養護稅費徵收緊密綁定在一起。不但格式化了市場及相關政府職能構架,同時也格式化了消費者的思維定勢。

一旦高效、經濟的外燃機或離燃機日臻成熟,勢必引起前述各利益集團的衝突。因為外燃機迎合了自由供給的燃料性態,完全去掉了對燃料性態的格式化。

譬如說我這個發明中提到的未來車用燒包,離線加(充)熱的方法不限:太陽能、柴火、煤炭、汽油、柴油、電熱,甚至未經提煉的原油也可設計出一種爐子來燒。即便電力不通、沒有加油站的偏僻農村,也能用柴火、生物質加熱燒包,不影響機動車的運行。既然這樣,還要煉油廠幹啥呢?

很多國家將公路的修建養護成本,分攤到汽油柴油的售價中去了。若沒有格式化好的這兩類油料供應市場,政府如何找到替代徵收方法,確實面臨挑戰!

機遇是:這項技術將逐步擺脫人類對化石能源的依賴,轉而使用地球表面碳循環的清潔能源,以及零污染的太陽能,其結果定會使地球溫室效應、霧霾、酸雨、生態惡化等逐步改善。善莫大焉!

與內燃機幾乎同時代發明的斯特林(Stirling)熱機,本質上就是外燃機。很早以來人們一直寄予厚望。可惜因為其固有的低效率,始終未能在效率上戰勝內燃機,因而從未取得商業化的成功,僅局限於學校的原理演示教具而已。

可喜可賀的是:我發明的新型固液相變熱機,終於在效率上戰勝了傳統內燃機,因而這是一項具有劃時代意義的、當驚世界殊的偉大發明!


七、結語

英語的相變 phase change 與變臉 face change 是一個意思。

把固相用於熱機循環的一態,也算是別出心裁,完全不按科研套路出牌嘛。

恰巧,美國總統川普的變臉威力也特別巨大--地球也要抖三抖,且從不按牌理出牌。有鑑於此,特行使發明人的命名權,將此新型熱機的英文名稱定為Wei-Trump engine,中文名为魏-川普引擎,以表彰銘記川普的雄才大略和特立獨行式思維!

值此新發明問世之際,鋼鐵俠馬斯克,風塵僕僕趕來上海,簽約他的特斯拉電動車中國生產基地。

那麼,燒包和電包,哪個才是你的包?堅信不久的將來,主流的回答一定是:燒包、燒包、再燒包!

雖然形勢一派大好,但革命尚未成功,同行仍需努力!


八、合作與共贏

歡迎有興趣的投資方,以及有志於合作研發、開拓市場的生產廠家與我聯繫,提出建設性、競爭性的要約(best offer)。我將投入全部精力,誓言哪怕在要約方的實驗室或工廠打地舖,也在三年內要打造出全球第一台燒包車!所以還請細化你的要約,包括這些細節:入門費、安家費、年薪酬勞、地方政府扶持政策、未來量產後的銷售分成計劃、合作期間的改進部分的產權歸屬等等。

要約方還需配備足夠人才搭檔,至少下列技術領域的工程師或專家:機械、熱力學、材料、液壓、工藝、優秀鉗工、內嵌軟件等。

我將在所有要約中,挑選出最滿意的合作方,盡快奔赴第一線開展各項工作。

謝謝大家的關心與捧場!


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