大氣壓力勢能的利用

摘 要：從物理知識中獲知：有重力勢能、彈力勢能、分子勢能和電勢能，并未提及大氣壓力勢能，在生產生活中只利用了大氣壓力，并沒有利用大氣壓力勢能，比如用吸盤吸牢玻璃、吸管吸取液體，都是利用大氣壓力。大氣壓力勢能一般是通過拉動真空缸底的活塞而獲得的，真空缸類似于氣缸，兩者重要的區別在于：氣缸底部有進氣孔和排氣孔，而真空缸底部只有預排氣孔。先將活塞設置于真空缸底部通過預排氣孔排出空氣，并使預排氣孔密閉，當有外力拉動活塞時，活塞與缸底之間為真空或接近真空，即活塞與缸底之間存在大氣壓力勢能。

關鍵詞：大氣壓力 儲能 真空缸 活塞

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（c）-0076-02

大氣壓儲能助動裝置，結構包括：儲能機構、傳動機構、控制系統，儲能機構與傳動機構相連，儲能機構包括真空缸和活塞，傳動機構包括牽引件、轉盤、錐齒盤、離合機構，控制系統用于控制兩個離合機構的離合以及轉盤是否處于卡住狀態。先將活塞設置于缸底通過預排氣孔排出空氣，并使缸底密閉。當需要儲存能量時，通過控制系統使外力帶動傳動機構拉動活塞，此時缸內為真空或接近真空，外界有大氣壓力作用于活塞，即活塞與缸底之間產生大氣壓力勢能，則有儲能效果；需要釋放勢能時，再通過控制系統使大氣壓力帶動傳動機構，從而帶動受力體，則有助動效果。本裝置的目的是解決車輛剎車時動能得不到有效利用的技術問題。

1 大氣壓儲能助動裝置原理

在車輛的行駛過程中，經常因為遇到紅燈而必須進行剎車，待綠燈亮起時再重新啟動或加速；公交車則除了紅燈的情況需要剎車外，還需要在各個公交站點停靠，即增加了剎車和再啟動的頻率，眾所周知，汽車在制動時，尚有一定的動能，而現有的車輛都是通過剎車片制動，將這部分動能轉化為熱能釋放到大氣中，使得這部分動能被浪費而得不到利用；或者，將這部分動能轉化為彈性勢能或電能進行儲存，這兩種方法均儲存能量有限、回收效率低。現有氣缸和活塞是為壓縮空氣而設計的，對外是正壓，運用逆向思維可用活塞把氣缸內部拉成真空或接近真空，對外是負壓，用于拉成真空的密閉氣缸稱為真空缸。在用于該裝置真空缸體積要盡可能大，這樣才能儲存足夠的能量。

2 大氣壓儲能助動裝置結構介紹

大氣壓儲能助動裝置的結構如圖1所示：1為第一離合機構；2為第二離合機構；31、32、33、34為四邊錐齒盤；41、46為轉盤；42、47為牽引件；43、48為活塞；44、49為真空缸；5為車輛傳動軸；45為定滑輪；441、491為密閉的腔體；442、492為與外界大氣相通的腔體。儲能機構包括：活塞、真空缸，活塞設置在真空缸的內部，將真空缸分隔為密閉的腔體（441）和與大氣連通的腔體（442），傳動機構包括：牽引件、轉盤、四邊錐齒盤、離合機構。牽引件的一端與活塞相連，另一端設置在轉盤上，轉盤與相連的錐齒盤相連，離合機構用于離合車輛傳動軸與相應兩個錐齒盤。控制系統用于控制兩個離合機構的離合，以及轉盤是否處于卡住狀態，當兩個離合機構處于分離狀態時，錐齒盤不隨車輛的傳動軸轉動；當其中一個離合機構處于合并狀態時，相應的錐齒盤隨車輛的傳動軸一起轉動；當轉盤處于卡住狀態時，整個傳動機構無法受力運轉；當轉盤處于非卡住狀態時，整個傳動機構可以受力運轉。控制系統設計為自動控制不需要駕駛員另行操作。眾所周知，車輛的傳動軸是隨車輛運動而轉動的。車輛正常行駛時兩個離合機構都處于分離狀態，在正常剎車減速時，該裝置先于原有剎車系統啟用，或與原有剎車系統一起啟用，通過控制系統使第一離合機構合上，即車輛傳動軸與錐齒盤（31）連上，則帶動其他錐齒盤轉動，從而使轉盤轉動，通過牽引件拉動活塞，即開始儲存車輛動能（一般可設計車輛在低速行駛時，用此方法代替原有剎車系統），在車輛停止的一刻，此時再通過控制系統使轉盤處于卡住狀態，則傳動機構無法受力運轉。需要前進時通過控制系統使轉盤處于非卡住狀態，在此同時使第二離合機構合上，即車輛傳動軸與錐齒盤（33）連上，并使第一離合機構分離，大氣對活塞的壓力通過傳動機構帶動車輛傳動軸，使車輛前進。當活塞被壓到缸底時，再通過控制系統使第二離合機構分離，這樣兩個離合機構都在分離狀態，車輛又回到正常行駛狀態。使用兩個離合機構目的是：在釋放能量助動時使車輛傳動軸保持原有轉動方向。

3 大氣壓儲能助動裝置運用實踐

以上是大氣壓力勢能用于車輛節能的原理，但在實際設計制造時，可對儲能機構進行優化，以減小儲能機構的體積，使大氣壓儲能助動裝置更為實用。相同的儲能要求下優化后的儲能機構，體積大為縮小，這樣優化的缺點是當活塞被拉到接近缸頂時，氣壓會過大，相應的部件容易有所損傷。為避免這種情況下可對儲能機構再進行優化，把圓柱體的真空缸設置在一個長方體空腔內，使真空缸外壁與長方體內壁吻合，使長方體與真空缸長度相等，也使長方體兩端密閉，真空缸與長方體之間形成四個獨立密閉的小空間，在真空缸頂部設置通道，使真空缸頂部氣體能排入到4個封閉的小空間內。也可根據設計需要使真空缸頂部的氣體只排入其中一個或二個或三個密閉的小空間內。這樣能解決活塞被拉到真空缸頂部時壓力過大的問題，且幾乎不占用空間。

根據這一方案，公交車、火車或公交列車都可將大氣壓儲能助動裝置設計安裝在車輛的大缸內，這樣幾乎不占用原有車輛空間。小型車也可設計安裝這套裝置，但要占用一些空間，甚至自行車上也可以設計安裝。

由于車輛在減速時還受其他阻力，動能不可能全部儲存；在能量釋放時也會受到其他阻力，大氣壓力勢能不可能全部用于助動。所以實際節約的能量要比以上計算結果要小一些。

大氣壓力勢能的計算：大氣壓力勢能即為大氣壓力潛在所做的功，其大小與相對于真空的大氣壓強和真空的體積有關。任何形狀的真空體都可視為由若干微小的高度為h底面積之和為s的柱體構成，高度h可視為大氣壓力做功時經過的距離，面積之和s可視為大氣壓力的受力面。設大氣壓力勢能為E、大氣壓力所做的功為W、大氣壓力為F、大氣壓強為P、真空的體積為V。根據大氣壓力與大氣壓強的關系以及功與力的關系可得：

即E=PV。由式中可知：大氣壓力勢能與相對于真空的大氣壓強和真空的體積有關。根據標準大氣壓強計算，每立方米真空儲存大氣壓力勢能約為105J。對于不是真空的空間，在此不作大氣壓力勢能的計算。

參考文獻

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