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戴榕菁
1.基本概念
受到被稱為化學之父的波義耳（Robert Boyle 1627-1691）在十七世紀發明的自流瓶[1]（Self-flowing flask）的啟發，本文在這裏推出多層虹吸低耗發電塔（Multifloor Siphoning Dynamo Tower, i.e. MSDT）的設想。
圖1是一個關於多層虹吸低耗發電塔的示意草圖。這個示意圖的底部是一個大的蓄液池（或蓄水
圖1多層虹吸低耗發電塔示意草圖
池），池中的左側建有由中心梁柱連接的數層小蓄液池。盡管圖中隻畫出最基本的四層，在實際建構中可以是高達數百米的幾十層，甚至更高。每相鄰兩層之間有數百（甚至更多）根虹吸管從下麵一層將液體引入上麵一層。在最頂層處有一個由閘門控製的出口與右側的向下導流的通道相連，通道接近底部大池處裝有水力發電機，由高處落下的液柱擊打發電機轉子葉片產生電能。
2.基本原理和要素
這裏的基本原理是流體力學中的伯努利原理：P +
(1/2) ρv2+ρgh=constant
其中ρ是流體密度，v是速度，g是重力加速度，h是高度，P是壓強。
要素1）每一層的“小”水池的橫截麵直徑要遠大於該層的所有的虹吸管的管徑之和，這樣當液體的粘度和密度合適時，在虹吸作用下就可以將下一層中的水注入到上一層的池中，如此接力一直到最高一層的池中；
要素2）中間層次所起到的隻是接力的作用。我們的最終目的是將底部大池中的液體以所要求的速度源源不斷地輸入到具有所期待的高度的頂層的蓄液體池中。因此，多層虹吸低耗發電塔的最主要的設計指標之一便是頂層的高度；從這一點來考慮，我們似乎應該盡量拉大層與層之間的距離，這樣可以減少建築與運行成本。但另一方麵，在液體與空氣的密度比給定的前提下，每一層的水壓所能產生的虹吸作用又受到虹吸管高度的限製，這就使得層與層之間的距離不能太大。當多層虹吸低耗發電塔的高度達到一定程度後，或許需要考慮大氣壓力隨高度的變化，但是在幾百米以內的高度下，可以忽略大氣壓隨高度的變化；
要素3）多層虹吸低耗發電塔的第二個主要的設計指標是頂層的蓄液量，當其橫截麵積給定時其蓄液量就取決於池子的深度。
要素 4）多層虹吸低耗發電塔的另一個主要的設計指標是其排水的速度。當頂層的蓄水量給定後，其排水能力又取決於下麵各層的虹吸噴流的速度，而虹吸噴流的速度又與各層本身的深度有關。一個簡單的設計是讓所有層的深度與麵積都相等。這樣便於計算和管理。
要素5）多層虹吸低耗發電塔的每層上的每一根虹吸管的入口處都要裝有開關，由中央統一控製；
要素6）多層虹吸低耗發電塔的整體結構，包括底部大液池在內都應該建在室內，一方麵可以減少液體揮發，另一方麵便於控製空氣和液體的物體參數；
要素7）為了防止因中間環節的堵塞而產生溢流，每層的最大設計蓄液深度應在一個小於池子本身深度的安全範圍內。
要素8）為了減少粘性摩擦損耗，所有的虹吸管內壁都塗有與所用液體相斥的塗料（如果液體為水的話，就用疏水塗料）。
3.基本能耗
1）預啟動能耗
雖然多層虹吸低耗發電塔的工作原理是通過虹吸將底部的液體引入頂層，但是為了縮短啟動時間提高啟動效率，有必要在啟動前將各層都注入最大設計蓄液量。這將是多層虹吸低耗發電塔的一大能耗；
2）初始動量能耗
初始動量對於多層虹吸低耗發電塔的成功運轉有著決定性的重要作用。很多試圖否認波義耳的自流瓶的可行性的人給出的最主要的誤導性的理由便是試圖用流體靜力學來解釋其運作機理。而波義耳自流瓶能正常運作的基本條件卻如上所述是流體力學的伯努利方程所表達的動力過程。因此，初始動量起著至關重要的作用。
為了產生足夠的初始動量，我們可以采取如下兩個措施：
（1）在啟動前的注液過程中，關閉所有的虹吸管的入口處的開關。在啟動的瞬間同時打開所有的虹吸管的開關。這樣可以產生一個瞬間的衝量。
（2）當所有的虹吸管的開關都瞬間被打開後，每一層的蓄液量都會有所下降，這時如果下麵的虹吸流由於某種原因而未能及時達到，那麽不但會影響上麵的流動的穩定性，甚至會造成某一層的虹吸的失敗。一旦某一層的虹吸失敗後，就不容易再馬上產生突然打開開關的那種衝力效果，而要將該層的開關關閉，將虹吸管中液體除去，重新啟動，這時其上麵各層即便是已經有了成功的虹吸現象，也會因為沒有後繼的流體補充而失去持續虹吸的動力。
因此，為了避免由於一些偶然的因素（比如管道沒清幹淨等）導致虹吸失敗，在打開虹吸管的開關之後，各層應仍然有一段時間保持由外麵向池內注入液體。
這是多層虹吸低耗發電塔的另一個主要的能耗。
3）正常運轉能耗
由於塔頂瀉下的液體直接流入底部的大池子中，因此，需要有動力持續地將液體從大池子中輸入到最底層的小池中以維持其中的蓄液量。
4）其它能耗
以上三項是多層虹吸低耗發電塔的最主要的能耗，除此之外，多層虹吸低耗發電塔自然還需要照明取暖控製室內環境等等各種基本的能耗。
在上述的能耗中，第1項和第2項都是在啟動時的一次性能耗。一旦多層虹吸低耗發電塔開始正常運行後，便可停止。第4項是所有機構都必須的日常能耗，與多層虹吸低耗發電塔的運作沒有直接的關係。隻有第3項才是多層虹吸低耗發電塔的正常能耗。可見，多層虹吸低耗發電塔利用虹吸原理以用來補充一層蓄液量的極低的能耗將液體引入到幾十米甚至幾百米的高度。
4.能量來源
對於那些對“永動機”的概念極為過敏的人來說，他們最為關心的問題將是多層虹吸低耗發電塔的設計是否會因為違背了能量守恒而無法實現。這裏就解釋一下多層虹吸低耗發電塔的能量來源：
多層虹吸低耗發電塔主要有三個能量來源，其一是大家一眼就看出的重力勢能，而其二則是大氣壓力所作的功。因此，多層虹吸低耗發電塔隻能在地球或有類似的大氣壓的環境下運作，而無法在月球上運作。其三是最底層的維持動量的能源。其中，前兩項是最主要的，第三項是輔助的。
5.一點討論
根據網上一些視頻[2]中的顯示，虹吸作用最大可以將液體提升到容器中深度的三倍左右。當然，虹吸的高度不能僅由相對值來判斷，因為它存在著一個絕對的上限。這一點可以從前麵的伯努利方程看出。由於在前麵的伯努利方程中的三項之和為固定的，假如我們忽略容器表麵較小的速度，並將其高度設為零，那麽整個流動的總能量就是由該處的壓力決定，而該處的壓力為氣體靜壓力，也就是一個大氣壓。所以，虹吸管內的流體的速度項與高度項之和一定是有極限的，小於一個大氣壓減去流體內的壓力。而在這兩項中，流體的速度越小，它的高度越大。
這樣就產生這麽一個問題：即便我們能夠通過虹吸作用以提升一米或幾米的能量將液體提升幾十米或數百米的話，如果到達最頂層的速度很慢，那麽也無法滿足高速發電的要求。這一點雖然是一個很大的挑戰，卻不是致命的問題。這是因為虹吸的引水量是由容器的麵積與虹吸管的麵積之和決定的。因此，如果到達最頂層的速度較慢，我們可以通過擴大蓄水池的總麵積來彌補。
6. 多層虹吸低耗發電塔的優勢
（1）與核電相比的優勢
多層虹吸低耗發電塔發電不存在讓很多人聞之色變的核電事故的風險，更沒有令所有具有核電的國家都頭疼的核廢料的處理問題；
（2）與火力發電相比
多層虹吸低耗發電塔發電不存在因為燃燒而產生汙染及高排碳的問題；
（3）與地熱和其它綠能發電相比
多層虹吸低耗發電塔發電對自然條件要求低。隻要有一塊合適的空地，就可以用來進行多層虹吸低耗發電塔發電。
（4）與一般的水力發電相比
除了在上麵第3點中提到的對自然條件要求低這一優勢之外，我們還可以通過對多層虹吸低耗發電塔發電所使用的液體進行化學處理而提高其效率，這是用天然的水資源發電無法做到的。另外，用多層虹吸低耗發電塔發電還可減少因對於天然水資源的幹擾而對自然生態的破壞或對水資源的汙染。
7.結束語
鑒於上述這些優勢，我相信，在本博客過去這些年裏提出的（包括用地球技術製造飛碟在內的）所有工程技術的構想中，多層虹吸低耗發電塔是最有希望在短時期內引起人們的重視並得到實際應用的。而本文對於人類在未來對多層虹吸低耗發電塔技術的應用的最大貢獻是使得未來任何一個國家和公司都因為本文的提前公布而無法用多層虹吸低耗發電塔技術概念來申請專利，因此多層虹吸低耗發電塔技術將成為造福全人類的廉價清潔能源。當然，相信未來的使用者們還會在具體的技術細節上申請各種專利；所以，本文的另一個效果將是引發有關多層虹吸低耗發電塔技術的開發熱情，畢竟誰先開發，誰將擁有專利的優勢。
[1] Richard (2018) "Science Class: Perpetual Motion in Energy" https://www.upsbatterycenter.com/blog/science-class-perpetual-motion-energy/
