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核电池范文1
发电功率达40千瓦
与大型核电站数十万千瓦以上的发电功率相比,箱式核电站的确很平常,它只有40千瓦的发电功率。不要小看这40千瓦的功率,它可以为现有的各种太空探测器提供足够的能量,将是未来太空探测的重要能源之一。国际空间站上有几对长长的翼型太阳能电池阵列,它们产生的功率也不过30~32千瓦,但是这些功率足够国际空间站的日常用电。如果换成箱式核电站,一个就足够了。
当然,箱式核电站听起来很厉害,它实质上还是放大版的核电池。制造核电池并非是什么新鲜技术,目前已经有一些太空探测器用上了核电池。比如,探测土星的“卡西尼”号探测器用的就是核电池,不过它的核电池功率很小,只有670瓦。如果“卡西尼”号能安装40千瓦的箱式核电站,那它就比现在威风多了,它就能获得足够的动力驱动更强大的发动机,到更远的深空中去探测。
可持续8年发电
箱式核电站非常适合随身携带。在科学家的设想中,箱式核电站的诱人之处不仅在于可以为太空探测器提供更强大的能量,而且可以让航天员随身携带,为航天员将来探索外星球和建立外星基地提供足够的能量。
未来人们要移民外星球,核电将是一种最主要的能源。在科学家的设想中,未来的月球基地可能建在月球已有的一些洞穴中,此时箱式核电站将成为月球基地的重要能源。在经常发生沙尘暴的火星上,箱式核电站比太阳能电池更有效。
此外,箱式核电站还可以为功率较大的产氧装置提供能量,让航天员源源不断地获得维系生命的氧气。一个箱式核电站可以连续不断地释放能量,而且持续时间长达8年。
多种措施保障安全
箱式核电站仍然是采用传统的核裂变方式来获得能量,所采用的裂变原料是氧化铀;而没有采用不少人期盼的更加安全的核聚变技术,因为目前的核聚变技术尚不成熟。
我们知道,核裂变会不断产生热量,如果不对核燃料棒及时冷却,燃料棒可能熔毁,核电池可能爆炸,放射性物质随之泄露而造成核污染。不能说核电池没有一点泄露的危险,但是科学家对核电池的冷却自有一套安全的方法,最新研制的这种箱式核电站将用钠钾合金作为冷却物质,这种合金会吸收核裂变产生的热量而熔化成液体,并把热量转化为电能输出,然后凝固。这样,就可用钠钾合金形成一个吸热发电的循环冷却系统,既可利用核裂变能,又防止了可能发生的核泄漏。
除了冷却物质外,箱式核电站还有多层防辐射物质泄露的壳体。
核电池范文2
【关键词】 电池; 供电; 转换效率; 植入式医疗器件
【Abstract】 Based on the introduction about the power supply and the classification of implantable medical devices,the advantages and disadvantages of each power supply mode was analyzed and the work principle and the application scope of each mode was also discussed.Then the battery capacity,the power supply mode,the energy conversion efficiency and the energy source of implantable medical devices was summarized.Finally,the developing trend of these power supply modes of implantable medical devices is presented.
【Key words】 Capacitance; Power supply; Energy conversion efficiency; Implantable medical devices
First-author’s address:Medical Imaging Academy of Xuzhou Medical University,Xuzhou 221004,China
doi:10.3969/j.issn.1674-4985.2016.14.038
植入式医疗器件是一种植入后能够实时测量人体的各种参数变化或是对某种器官起到辅助作用的仪器。随着电子技术的发展,植入式医疗器件开始广泛的被人们接受而在临床医学中得到广泛运用[1]。然而,所有的仪器都离不开能量,而在它的发展进程中,最主要的制约因素也必然是能量的供给。植入式医疗器件的供电方式成为研究的关键和难点。
1 植入式医疗器件简介
1.1 植入式医疗器件分类 在各类医疗电子产品中,有的直接在生物体外进行使用,有的则需要通过手术植入到生物体内才能工作,称为植入式医疗器件(Implanted Medical Devices,IMDs)[2]。植入式医疗器件的种类繁多,包括了对人体整个身体部件的各种辅助和救助设备,常见的植入式医疗器件主要用于代替某些功能丧失的器官工作,测量生命体的生理生化参数,或者治疗某些疾病[3]。
植入式医疗器件可分为被动式和主动式两种,大多数被动式的植入式医疗器件是非电子产品,如心脏支架、人造关节、人造瓣膜等组织结构装置。主动式的植入式医疗器件包括调整心律的心脏起搏器,消除心室纤维颤动、心动过速的心脏除颤器,辅助听力的电子耳蜗,神经刺激器、治疗弱视或者视盲的植入式视网膜等各种激励系统,需要能量供给才能代替或提高某个器官的功能,或者治疗某种疾病[4]。目前,植入式心脏起搏器和除颤器维持着上百万心脏病患者的生命,神经刺激器用于治疗如癫痛症、帕金森综合症等疾病,其他激励系统可以治疗如小便失禁以及慢性疼痛之类的疾病[5]。
1.2 植入式医疗器件基本组成 植入式医疗器件通常由两大部分组成,即体内植入部分和体外测控部分。体外部分的任务是人体信息的测量与控制,从而完成疾病的诊断和治疗。整个装置包括信息的获取、处理、存档、控制、指令、显示与记录功能。体外部分与一般的医学仪器相同, 系统的关键点主要集中在植入部分以及体内外的信息和能量的交换。
2 植入式医疗器件的基本供电方式
2.1 锂电池技术 锂电池技术是目前医疗行业最常见的用于植入式医疗器件供电的一种电源,该技术已成熟,并且有单体输出电压高、体积小、安全性高等诸多优点[6],但由于人体的植入空间有限,植入电池的体积有着非常严格的控制,这意味着植入电池的容量不会很大。当电池能量耗尽时,植入式医疗器件也就停止工作,必须进行手术更换电池。对于心脏起搏器,锂离子电池的理论设计寿命是6~10年,当电池消耗了约85%时(一般约为5~7年),就不能保证它在人体内的运转,对于患者来说十分危险,必须及时更换,重新植入新的起搏器[7]。另一方面,植入电池虽然小,但其占总体积的比例仍然超过50%,是妨碍植入器件微型化的关键因素。
2.2 磁感应技术 除了锂电池已被应用于临床外,另一种被应用的供能技术是电磁感应技术。该技术是利用植入人体内的线圈和体外线圈电磁耦合来对电能进行传输[8],对体内的电池进行无线充电,如图1所示。磁感应技术能够进行电能的无线传输,将体外丰富的能量输入体内对器件供电,极大的延伸了植入式医疗器件使用寿命,解决了当锂电池用完后必须进行手术更换的弊端,大大减轻了患者的痛苦。但是,磁感应技术的能量传递效率较低,一般来说,距离越近,传输效率越高,当距离大于4 cm时,基本实现不了充电[9]。并且该技术需要专门的充电设备,充电效率不理想。提高该技术的充电效率是必须进一步研究的关键。
3 植入式医疗器件供电方式的新进展
3.1 植入式无线供电系统 植入式无线供电系统结合了无线传输和均衡电路特点,设计了一种满足超级电容充电要求的闭环无线充电方案[10-12],设计原理见图2。其充电方式还是主要利用电磁感应原理,外部电源经初级线圈与人体内的次级线圈进行能量传递,通过均衡电路后存储在超级电容。并且通过对电容参数的检测,用天线传输回体外单片机,来调节充电过程中的电压与电流等参数。
对于植入式医疗器件的供能方式,需要长寿命、安全、稳定、无需维护。超级电容(SC)是一种新型的电能存储元件, 能够满足上述所有要求。它有着超长的使用寿命,在需要长寿命、免维护的设备中,如地球卫星、IMED等,具有很大的发展潜力[13]。
3.2 体导能量传递模型 植入式医疗器件的体导电能量传递是一种新兴的无线充电方式。它利用人体内游离的离子在外加电场的作用下会发生定向移动的原理,产生电流[14]。植入式医疗器件的体导电能量传递原理如图3所示。该模型的外部电源把电压施加在两片电极上,通过人体内游离离子把能量传递到植入人体内的电极上,电极再把电能储存在植入式医疗器件的电池内[15]。在充电过程中,把体导电能的工作频率控制在kHz级,从而减少生物背景信号干扰,提高了充电的效率[16]。
3.3 基于人体动能驱动的电磁感应供电模型 基于人体动能驱动的电磁感应供电模型是通过采集人体即时产生的机械能进而转化为电能的一种方式[17]。该供电方式最重要的优点在于以人体下肢作为能量提供场所,用脚的运动提供机械能,进而转化为电能予以收集、利用,相对于普通的电池供电而言,避免了当电池电量耗尽时,再通过手术跟换电池时对患者造成的痛苦和经济负担。图4所示的是人体典型动能驱动模型。该供能模型选择以下肢为供能载体,是因为人体的生命活动离不开脚的运动,如散步、慢跑等,因此可以直接从这些日常人体活动中获得能量来带动一种装置,从而产生电能并对电能进行储存、利用[18]。但是该模型的产电能力较弱,且在运动过程中如何存储电能,如何将所存储电能调整到植入式医疗器件工作电路所需的电路参数仍然有待于进一步研究。
3.4 生物燃料电池技术 生物燃料电池是一类特殊的燃料电池,是利用酶或者微生物组织作为催化剂,将化学能转变为电能,具有原料丰富、工作条件相对宽裕、生物相容性好、无毒性等诸多普通燃料电池不具备的优点[19]。正是利用这些特性,生物燃料电池才被研究用于为植入式医疗器件的供电。
生物燃料电池能够利用体内的葡萄糖、氧等有机物或无机物作为燃料源源不断的产生电能,工作于常温、常压,并且酸碱度适中的环境中,这使得它维护成本低廉并且安全度很高,对人体无毒无害[20]。目前该技术最需要解决的是电能转换效率的问题,一旦解决,生物燃料电池将有望大规模应用于植入式医疗器件。
3.5 光电供电技术 功能性光电材料近年来发展迅速,即利用光电效应将光辐射的能量转化为电能。如经皮直接照射近红外光,通过光电池产生电能,该方法还可以结合可充电电池用,从而无需一直实施红外照射[21]。另有研究是利用光纤从腹部植入皮下,通过光纤传输光能至光电池并转化为电能,使用850 nm激光源照射,光电转换效率达40%,可产生3 V的电压,功率达到10 mW[22]。随着新技术的发展,太阳能电池在植入式医疗器件供电领域也有研究报道,有研究通过太阳能薄膜电池为植入式医疗器件,该薄膜电池的厚度大约为2~3 ?m,可以方便植入到体内,其转化效率也在进一步的研究中[23]。
3.6 核能技术 核电池是一种将核能转化为电能,并且能够为植入式医疗器件长期提供很高能量的装置。该技术具有体积小,重量轻,寿命长,不受外界影响等优点。核电池在医疗领域中最重要的应用就是心脏起搏器的供能装置。如用半衰期为87年的放射源钚(238 Pu),以其裂变产生的能量再通过热耦合技术转化为电流,150 mg即能够为心脏起搏器提供10年以上的能量[24-26]。
核电池寿命长的优点使患者减少了更换电池而反复进行开胸手术的巨大痛苦。但核电池有放射性,必须把它储存在精密的封闭单元中,所以体积较大且重。而且不论使用与否,随着放射源的衰变,其供电性能也会随着时间逐渐衰减。该技术可适用的范围受到核燃料特殊性的局限。
4 总结与展望
医疗植入式电子器件不同于体外应用的医学仪器,植入人体后,它能直接接触人体器官和组织,人体能够活动自如,能够在自然状态下高精度测定人体的生理、生化参数,研究生物体的生理、心理状态。植入式医疗器械的研制和发展很大程度取决于支持它们在体内连续工作的电能供给方法。由于植入式装置功能、尺寸等有所不同,必然造成供电方式的差异。
目前以下两种方法被认为是可行的,一种是通过电池供能,另外一种方法是通过体外电源无线传输能量对植入器械进行能量的补充,但其效果并不确定。低功耗或是极少出现高功耗使用情况的植入式医疗电子器件通常可以利用内部电池供电,例如植入式心脏起搏器的电池的一半功率用于心脏刺激, 而另一半功率用来完成监测、数据记录等工作。某些植入式医疗电子设备也可以用便携的外部电源供电,通过射频电磁感应进行能量传输被认为是能使人工心脏持续工作的一种有前景的供能方法[27-29]。
从储能元件上来说,目前最广泛使用的还是锂电池储能,锂电池安全,技术成熟并且制造成本低。现在临床应用的心脏起搏器就是通过锂电池组提供能量,电池寿命约5~7年,以患者平均佩戴20年来算,至少需要更换三次电池或者进行三次充电,这必定增加患者的经济负担,但最主要的还是增加了患者手术的痛苦。为了解决这一问题,大容量储能元件应运而生,核电池的出现即为植入式医疗器件解决了能源问题。以核能供能的植入式医疗器件,完全解决了电池的寿命问题,但因其核燃料的放射性使得适用性受到局限。近几年,又出现了一种超级电容的新型储能元件,解决了电池的寿命问题,并且无需维护,安全稳定,但它的成本相对较高,而且技术尚未成熟,尚不能应用于临床。
随着植入式医疗器件的复杂化,系统的功耗越来越大,对于短期植入式医疗器件,电池完全可以胜任,但对于长期植入式医疗器件往往不能满足要求,体外无线供电方式解决了以上问题。基于E类放大器的电磁感应供电效率可达70%左右,还可以同时传输数据,但电磁耦合方式会与其他电子器件发生干扰;光电供电同样可实现长期供电,但转换效率不高。此外,以上供电方式也可结合使用,如将经皮能量传输与可充电电池结合起来,为人工心脏提供能量,这就为功耗较高、长期植入的医疗器件提供了一种解决方法[30-31]。
植入式医疗器件目前主要还是依靠特定的设备来提供电能,但最理想的还是能够利用人体自身或者人周边的环境来进行供能,如机械能(身体运动、肌肉拉伸、血管收缩)、振动能(声波)、化学能(葡萄糖)、液压能(体液流动及血液流动)等。光电池、生物燃料电池以及人体动能驱动的电磁感应供电模型等方式就应运而生了,但是同样面临能量转换效率的问题仍需进一步研究。
随着植入式医疗装置的广泛使用,推动了植入式医疗器件供电方式的进一步发展,植入式医疗器件发展迅速,微型化、纳米化正成为一种趋势。由于植入式装置的功能、尺寸等各有不同,植入式医疗器件供电装置的电池容量、无线充电效率以及能量来源将是研究的关键和难点。
参考文献
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核电池范文3
电动车电池首次充电时间并不是充得越久就储有越多的能量,当电池充了一定时间的电以后,电量基本饱和了,为了让电池的寿命更长,性能更好,每次充电时间最好不要超过8个小时;
2、注意充电时机:
新买的电池不用完就充电会导致电池的寿命缩断,为了能让电池使用更长的时间,应该在电量用了百分之七十到百分之八十的时候再去充电,这样可以大大地增加电动车电池的寿命;
3、注意充电间隔:
核电池范文4
1977年9月5日 出发
从今天开始,我就要开始漫长的星际旅程了。担负着探测太阳系行星的使命,我搭载着“泰坦3号”E半人马座火箭升空。这次旅行正好碰上176年一遇的行星几何排列,这样我就只需少量燃料来修正航道。其他时候,我可以借助各个行星的引力来加速,从而大大缩短我探访其他行星的时间。我身上携带着宇宙射线传感器、摄像仪等11种科学仪器,并将利用它们对目的地进行观测。地球,再见了!
1979年3月5日 我的木星之旅
此时,我已经来到距离木星27.5万千米的地方。大红斑、水桶腰,这就是我对木星的最初印象。对了,我还看见了木星的光环!这个光环由细小的尘埃构成,厚度约为30千米,距离木星约12.8万千米。最令人惊讶的是,我在木卫一上发现了火山活动,这是太阳系中除地球外又一具有火山活动的天体。我决定对木星的卫星、光环、磁场和辐射环境好好考察一番。对了,赶紧拍照留念。
1980年11月12日 我的土星之旅
不知不觉我就来到了这颗因拥有美丽光环而闻名的星球身边。现在,我距离它只有大约12.4万千米。土星表面笼罩着液态氢海洋,而它的光环竟是由闪亮的冰粒和碎石组成的。这家伙的卫星特别多,其中的土卫六吸引了我。对土卫六进行观测时,我发现土卫六拥有浓密的大气层,上面可能存在甲烷海洋。我本来打算继续探访天王星和海王星的,可土卫六确实太迷人了,我要停下来好好研究。天王星和海王星就交给我的双胞胎弟弟“旅行者2号”来探索吧!想认识它吗?先等等,我的故事还没完呢!
2012年5月 抵达太阳系边缘
我终于抵达太阳系的边缘了,此时我距地球180亿千米。我快要脱离太阳系了,说不定会与外星人不期而遇呢。其实,我的另一个旅行计划就是寻找外星人。我身上携带了一张金唱片,这张唱片将会代我问候外星人。我能遇到外星人吗?即使遇到,我还能告诉人类这个伟大的消息吗?我身上的两枚核电池只能让我为人类传递信息到2025年,如果电池耗尽,恐怕我就要无牵无挂地闯荡银河系,再也不能向地球发回数据了……
“旅行者2号”专访
影:“旅行者2号”,你好,作为美国国家航空航天局的另一名星际旅行者,你能否跟我们讲讲你特殊的旅行经历?
“旅行者2号”:我在1977年8月20日就出发了,比我哥哥开始太空旅行的时间还早几天。我不仅探访了木星和土星,还去了更远的星球―天王星和海王星。
影:之后你还有什么旅行计划呢?
“旅行者2号”:当然是飞出太阳系啦!假如我能一直飞下去,那我会在公元8571年到达距离地球4光年的Barnard恒星附近,公元20319年到达距人马座3.5光年的地方,公元296036年则会飞到距天狼星约4.3光年的地方……我的旅程远着呢!
影:天啊,真够远的。听说你既是一名旅行爱好者,也是一名严谨的科学考察者。你有什么重大的科学发现呢?
“旅行者2号”:我钟爱考察并搜集各种数据。你看,这些是我的科学笔记。
影:谢谢你给我们看你的科学笔记,它们都是非常珍贵的资料。特别是有关海王星的,在你之前,从未有探测器到达过那里。
“旅行者2号”:嗯,我弥补了探测史上的空白。目前为止,太阳系行星都被我们探测过了。
核电池范文5
1、水电瓶自身重,价格高。适用于载重货使用。干电瓶较轻,价格适中。适用于载重轻使用。一个水很多充电麻烦(水电瓶),容量大;一个水少充电方便(干电瓶)容量小。
2、水电瓶是铅酸蓄电池的一种。因为电瓶内液体含量较多,所以大家通常称之为“水电瓶”。 水电瓶中的液体比较容易流失,要经常补水,所以又叫可维护电瓶。 这种电池多用于汽车摩托车上,放电电流比较大,所以还叫牵引电瓶,启动电瓶。
3、干电池是一种伏打电池,利用某种吸收剂(如木屑或明胶)使内含物成为不会外溢的糊状。常用作手电筒照明、收音机等的电源。我国干电池技术经过多年发展,其比能量、循环寿命、高低温适应性等问题已有所突破。智研数据研究中心表明,目前我国正逐渐缩小与国际领先技术的差距,在部分核心技术方面已达到国际水平,并且越来越多地进入国际市场。
(来源:文章屋网 )
核电池范文6
酒是谷物之精华,是“饮料”中的极品。它不但具有阴阳双补的防病治病功效,而且还有消食导滞,帮助消化食物的作用。特别是对于一些喜欢吃肉食的人来说,更有实际意义,因为最容易消化肉食的就是酒。所以,民间有一句话――“大块吃肉,大碗喝酒”道理也在于此。
酒为什么能消化肉食呢?这与制酒的方法有关。酒是由粮食发酵而成的,能使粮食发酵,必须要有一定数量的“益生菌”参与,也就是人们常说的“酵素”。这和蒸馒头一定要有“酵母菌”参与的道理一样。发酵制出来的酒一定含有“益生菌”。而且,这种“益生菌”更容易分解、消化肉食。所以,经常喝酒的人,对肉食的消化吸收比不喝酒的人要快。
酒虽然是一种好东西,但也不能乱饮、狂饮,要把握一定的度。特别是在宴席上,很多人只喝酒不吃饭几乎成了一种习惯。这样喝酒,不但发挥不了酒的奇特之效,而且还有损健康。
怎样喝酒最好,圣人早有教导。孔子曰:“唯酒无量,不及乱。”“乱”就是乱饮、狂饮之意。酒要喝到半醉不醉,微醉似醉的状态最好。不过,这是诗人李白的喝法。我们提倡的是吃肉时适当地喝点酒。
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益生菌:我们体内各细菌的重量之和高达2千克。身体内寄宿着400种益生菌,如大肠杆菌、双歧杆菌等。它们大多数都寄宿在消化道中,其中有些是长期寄宿,而有些是非长期寄宿的。这些益生菌在身体内构筑了抵抗病原菌侵入的第一道防线。它可以抑制和干扰病原菌的存活机会,具有一定的抗菌消炎作用