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自由落体加速度在水电站中的应用

如何让核电退出历史舞台

赵景宜

前言:电能是人类社会文明的基础,是工业生产的主要动力。一个国家的电能消耗量代表着这个国家的工业和社会发展状况。而一个国家对电力的保障能力,也显示着这个国家对国民生活水平的保障能力。为了提高国家对国民生活水平的保障。每个国家都在大力建设发电站,用提高发电能力来提高保障国民生活水平的能力。而探索能源的无限可重复利用,是解决能源危机的最有效办法。从目前我们对能源的认识情况可以得出。水能源是唯一可以无限循环的能源。同样,水能源也是一个供应量相对平均供给的能源。它的供给量不会因为我们的需要增减。而发生根本性的改变。所以,本文根据自由落体运动研究结果提出,将重力加速度运用在水力发电上来的设想。下面就次进行阐述。

目前能源发电的现状:

可是,在目前的高度经济社会中,建设发电站的投资和产出比决定着一个国家或一个企业选择建设什么样的发电站。

从追求速度的角度说,国家为了快速解决自己目前缺电的问题,首先选择的是火电站,它具有投资小,建设速度快,能在短时间内发电的优越性。可是,火电站的发电成本是高昂的,煤炭资源又是有限的。这就决定了火电站的建设是需要控制的。不能进行无限发展。

从追求经济利益最大化的角度说,水电站是最佳选择,因为陆地说的水是无限循环的。可是,按照目前的水电站建设技术来说,主要是利用高筑坝、广蓄水来进行发电。还一种说法就是,利用高筑坝来提高水位,达到提高水的压强,用广蓄水来保证发电机有一个相对稳定的压强来保证发电机正常发电。但是,高筑坝和广蓄水又使水电站的建设投资大,建设时间长。对大坝选址地质要求高,大坝建设安全标准高,发生地震等地质灾害时,处理难度大等缺点,制约着水电站的数量快速发展,制约着水电站的建设周期的缩短,制约着水电站投资的减小。

核电站的建设投资、建设周期、投资和产出比都介于上面两种发电方式之间,可是,核发电站如果发生像切尔诺贝利,福岛核电站这样的事故,对人类的危害是我们不能允许的。它的危险也最可怕。

既然火电站由于能源问题,不能大量发展,核电站由于危险太高,应该放弃,要解决我们的电能需求,就只有大量建设水电站。要大量建设水电站,就必须要让水电站的投资大幅度的降下来,建设周期短到4年以内。大坝的高度降到50米以内。

如何让水电站的高、大、长降下来

1、提高水的动能基本理论:

陆地上的河流水是从高处向低处流动的。那么,在弹簧秤上称得一个铁球的重量是一公斤,把这个铁球举高到5.1米,在做自由落体运动,根据势能定理可以知道,物体的重力势能等于它的质量、重力加速度和高度三者的乘积。据此可以得出,这个铁球从5.1米高度做自由落体运动到达地面时产生的势能是:1×5.1×9.8=49.98倍

按照自由落体定理可以得出,从5.1米高度做自由落体运动到达地面时的末速度是10米/秒。根据动能定理:物体的动能等于它的质量跟它的速度平方乘积的一半。据此可以得出,这个铁球从5.1米高度做自由落体运动到达地面时产生的动能是:1×10²÷2=50倍。

把这个铁球升高到20米之后,再做自由落体运动,它到达地面的末速度高达19.6米/秒。它的动能提高了近100倍。

以上是物理书上的理论。可是用它来表述液体重力与重力加速度就不太明了。因为,水的重力表达式是压强,压强不只是产生垂直向下的重力。它是一个向全方位传输压强的一个全方位表达方式。但是,只有垂直向下的压强才是重力,只有液体在做垂直向地心运动才会产生重力加速度。如果使在做自由落体运动的液体直接到达地面,形成的水波高度才是自由落体运动的水产生的最大动能转化值。其余的能量都被压强给消耗了。就像我们现在水电站的水轮机最大面是与水平面垂直的,换句话就是现在的水电站水轮机轴与水平面垂直安装,水轮机利用水在自由落体运动中产生的冲击波和压强来发电。

如果把水轮机轴与水平面平行安装。这样,就可以将由自由落体运动产生的加速度直接转换成动能用来发电。

以上论断可以用一下方法进行实验。在一个高度为10米的水塔,在垂直下水管向上2米处,与水平面成90度安装一个水表,使上端为进水口,下端为出水口。安装完毕后。打开水塔放水阀门开始向下放水。放完水塔中的水,我们会发现水表计量数与我们测量的水塔水量出现不同。水塔水量通过水表计量数大于水塔实际水量。

如果在水塔垂直下水管下端安装一段水平管,在水平管与垂直管连接处5米处水平管上安装同样一个水表。在打开水塔放水阀门开始放水,安装在垂直管上的水表读数大于水平安装水表的读数。水平安装的水表读数与实际测量的水塔存水量相等。

2、在实际中的应用:

根据自由落体运动知道,地球重力可以给从高空坠落的物体加速度。那么我们就根据这一原理来解决水力发电站建设中的高、大、长问题。

从20米高的空中坠落的物体到达地面时的末速度是19.6米/秒。那么我们把河流水通过大坝提高到20米,使河流水从大坝顶部按照我们的设计流出库区,然后在地球重力的吸引下做自由落体运动到达水轮机,推动水轮机运转,带动发电机发电。

由于利用自由落体运动加速。只要投资在河流上建设一个拦水坝,将河流水位提高20~30米(对于坝高设计可参阅“自然状态下的自由落体运动推理”)。在拦水坝下部建设水轮发电站,就可以源源不断的发电了。

在这一设计中,水轮机轴必须按照与水平面平行安装。使水轮机最大面与做自由落体加速后的水相对,才能达到将自由落体加速度应用到水能发电中来。

3、自由落体式发电站的优势;

由于自由落体式大坝高度降低,降低了大坝的抗压能力要求,降低了大坝的设计实验工作。由于大坝高度降低,建设工程量减少,相应的建设时间也减少。由于大坝高度降低,库容就会大幅度的减少,淹没区就会大幅度的下降,就可以少移民或者不移民。这样,按照现在的方法建设水电站的投资高就解决了。大坝高度和强度要求大幅度下降,工程量大幅度减小。建设工期就会自然缩小。

由于库容的减小,抗自然灾害的能力就会大幅度提高。为什么这样说呢?小浪底水库的库容是51亿立方米。三峡水库的库容是393亿立方米。它们由于库容大, 需要的安全标准就高的多。就以三峡水库大坝为例来说。三峡大坝最高蓄水位175米。坝前和坝后水位差是135米。假设水的最大匀速点是19.8米。那么三峡大坝就可以完成6次以上的水自由落体加速度。安装水电站需要,就可以建设成从上到下6级水电站,使现行的三峡水电站发电能力提高六倍。根据三峡大坝最高蓄水位175米。坝前和坝后水位差是135米。这个标准计算,可以得出三峡大坝下游段长江水深是40米。按照水电站坝前和坝后水位差20米就满足发电需要。三峡大坝就只需要建设高度为60米。这样的大坝发生问题,库区的蓄水量根本不会对下游产生威胁。所以,这样的水电站选址就宽松的多。就是在平原上我们也可以建设这样的水电站。因为,河流最大来水的高度小于河堤,我们就可以利用这一优势,加高和加宽河堤来增强河堤防洪能力,在这段河流水建大坝发电。

二〇一一年五月一日星期日

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