| початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Каталог патентів / В розділ каталогу / Назад / |
|
ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU1823761
ПРИСТРІЙ ДЛЯ ПРЯМОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ
ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОЇ ПЛАЗМИ В ЕЛЕКТРИЧНУ ЕНЕРГІЮ
Ім'я винахідника: Сапожников Г.І.
Ім'я патентовласника: Високовольтний науково-дослідний центр Всесоюзного електротехнічного інституту им.В.И.Ленина
Адреса для листування:
Дата початку дії патенту: 1990.12.17
Використання: пряме перетворення теплової енергії високотемпературної плазми, яка витікає з термоядерного реактора, в електричну енергію. Суть винаходу: пристрій містить експандер і супресор, виконаний у формі циліндрів, електромагнітну квадрупольними лінзу, генератор змінного струму, два ортогонально розташованих та ізольованих один від одного багатосекційних колектора. Зазначені елементи розташовані послідовно по ходу пучка, а багатосекційні колектори розміщені вздовж осі симетрії системи. Генератор змінного струму з'єднаний з намагнічувалося котушками квадрупольної лінзи. Секції колекторів з'єднані з електричними силовими трансформаторами.
ОПИС ВИНАХОДИ
Винахід відноситься до електроенергетики, а саме до електроенергетичним термоядерним реакторів, і може бути використано для прямого перетворення теплової енергії високотемпературної плазми, яка витікає з термоядерного реактора, в електричну енергію.
Метою винаходу є розширення області застосування перетворювача на потоки плазми з аксіальної симетрією, а й спрощення конструкції шляхом виключення з електричних ланцюгів секцій колектора системи складних і дорогих інверторів, що перетворюють постійний струм в змінний, за рахунок передачі їх функцій квадрупольної лінзі.
 |
 |
 |
На фіг. 1 приведена схема пропонованого пристрою для прямого перетворення теплової енергії високотемпературної плазми в електричну енергію; на фіг. 2 електромагнітна квадрупольними лінза з живильним генератором і колекторами; на фіг. 3 два ортогональних багатосекційних колектора. Пристрій містить експандер 1, супресор 2, квадрупольними лінзу 3 з живильним генератором 4, два ортогональних багатосекційних колектора 5 і 6 і трансформатори 7. На малюнку іонний пучок 8 показаний пунктиром. Кожна секція колектора 6 розділяється колектором 5, проте електрично частини однієї секції одного колектора між собою з'єднані. Секції колектора 5 під'єднані до трансформаторів 7, передає змінний струм в лінію електропередачі 9, а секції колектора 6 під'єднані до трансформаторів 7, передає струм в лінію електропередачі 10. Слід зазначити, що гальмують зазори колектора мають циліндричну форму, як і в прийнятому прототипі, проте на кресленнях для простоти зображення вони показані плоскими. |
Пристрій працює наступним чином. Виходить з термоядерного реактора потік високотемпературної плазми надходить в експандер, де відбувається перетворення поперечної енергії іонів в подовжню і розширення циліндричного пучка, потім потік проходить через супресор, де з потоку видаляються електрони, і потік іонів надходить в електромагнітну квадрупольними лінзу. У квадрупольної лінзі відбувається перетворення симетрії пучка з циліндричного в стрічковий. Квадрупольними лінза має велику фокусує силою в одній площині і дефокусірующей в інший, тобто циліндричний пучок, проходячи крізь неї, в одній площині стискається, а в інший розтягується і набуває стрічкову форму. При цьому зменшується поперечний падіння потенціалу в пучку і за рахунок цього зменшуються втрати енергії на колекторі, тобто підвищується ККД перетворення енергії пучка. При зміні полярності лінзи з частотою, що задається годує генератором, стрічковий пучок буде формуватися послідовно то в одній, то в іншій площині, які ортогональні один одному і проходять через вісь системи. Відповідно пучок буде потрапляти то в один, то в інший колектор, де енергія поздовжнього руху іонів перетворюється в електричну. Залежно від енергії іони надходять на різні секції багатосекційного колектора, що знаходяться під різною напругою. Для під'єднання до лінії електропередачі змінні електричні струми різної напруги, що знімаються з різних секцій колектора, перетворюються за допомогою трансформаторів в єдине напруга лінії електропередачі. При цьому змінні струми, що знімаються з ортогональних колекторів, відрізняються по фазі на 
/ 2 ..
Лінійний розмір перетворювача визначається відстанню, на якому щільність частинок в потоці плазми зменшиться від початкової щільності в реакторі до значення, при якому електричне поле зможе проникати в потік на товщину пучка, і одночасно переважна частина енергії поперечного руху іонів перетворюється в подовжню енергію відповідно до закону збереження адіабатичного інваріанту.
У прототипі це перетворення здійснюється при розширенні в експандері веерообразного стрічкового потоку плазми товщиною 1 м з радіуса 4 м до радіуса 76 м, що відповідає зменшенню щільності потоку плазми в 19 разів. У пропонованому пристрої таке ж зменшення щільності плазми може бути здійснено на меншій відстані за рахунок того, що на виході з реактора до надходження в квадрупольними лінзу розширення пучка здійснюється в конічному експандері, а отже, щільність плазми падає пропорційно квадрату відстані. Наприклад, при початковому діаметрі пучка 0,5 м конічний пучок розширюється до діаметра 1 м на відстані 5 м. При цьому його щільність падає в 4 рази. Далі пучок надходить в квадрупольними лінзу, де перетворюється в віялоподібні.
При русі в лінзі за рахунок розширення пучка в дефокусірующей площині лінзи його щільність впаде ще в 5 разів на відстані 10 м (розрахунок такий лінзи наведено нижче).
Таким чином, зменшення щільності в 20 разів може бути здійснено на відстані 15 м, а не 76 м, як в перетворювачі Посту. Вважаючи розміри колекторної системи незмінними (20 м), отримаємо лінійний розмір перетворювача 35 м, а не 96 м, як у перетворювача Посту, що має велике значення, так як значно скорочує витрати енергії і капітальні витрати на підтримання високого вакууму в перетворювачі.
Використання властивостей квадрупольної лінзи дозволяє поєднати в одному електровакуумному приладі функції перетворювача енергії і функції інвертора.
Наведемо аналіз ККД пропонованого перетворювача енергії.
Траєкторії руху іонів в квадрупольної лінзі описуються рівняннями:
в фокусує площині xr cos · p · z, (1)
в дефокусірующей площині y rch · p · z, (2)
де z відстань по осі лінзи;
r радіус пучка на виході;
p збудження лінзи.
(3)
де m маса іона,
v швидкість іона, 
градієнт магнітної індукції лінзи.
З виразу (1) випливає, що для моноенергетичного пучка умовою виходу з лінзи нерасходящегося стрічкового пучка є
p 
z = n, (4),
де z довжина лінзи, n 1,2,3.
У нашому випадку пучок немоноенергетічний, тому умова (4) для всіх частинок одночасно виконати не можна. Через це іони в вихідному пучку будуть володіти поперечної енергією, рекуперація якої проблематична. Оцінимо, яка частина енергії пучка припадатиме на поперечну енергію на виході лінзи.
З виразу (1) випливає, що поперечна швидкість на виході лінзи визначається виразом 
(5)
Частка енергії пучка, пов'язана з даним поперечним рухом іонів 
(6)
Величина р визначається з необхідних розмірів пучка на виході лінзи. Приймемо, як і вище, що довжина лінзи 10 м, ширина пучка не виходячи 5 м, діаметр пучка на виході 1 м.
З рівняння (2) випливає
ch (z · p) 5.
По таблиці знаходимо: z · p 2,3. (7)
Підставляємо в вираз (6), отримаємо 
(8)
З виразу (8) випливає, що при прийнятих параметрах частка поперечної енергії стрічкового пучка на виході лінзи не буде перевершувати 1,4% від енергії пучка.
Визначимо енергію, яка споживається квадрупольної лінзою.
З виразів (7) і (3) знайдемо величину b 
(9)
Для протонів m 1,67 · 10 -27 кг, q 1,6 · 10 -19 к.
Середня швидкість протонів v відповідає їх середньої енергії, яку приймемо рівної 1 МеВ (v 1,4 195 H> 10 7 м / с). Підставляючи чисельні значення в вираз (9), отримаємо
b 7,4 · 10 -3 Тл / м. (10)
Число ампер витків на один полюс магнітної квадрупольної лінзи (9) 
(11)
де 
o 1,26 · 10 -6,
a апертура лінзи (a 2,5 м).
З виразу (11) з урахуванням виразу (10) отримаємо
N · I 1,185 × 10 4 ампер витків. (12)
Індуктивність лінзи L вирахували як сумарну індуктивність 4 соленоїдів з залізними сердечниками, з'єднаних паралельно, тоді 
(13)
де відносна магнітна проникність, для заліза m 5000;
A площа перетину соленоїда;
l довжина соленоїда.
Приймемо для оцінки A 10 -2 м 2, l 1 м. Нехай живильної лінзу ток I 10 3 A, а отже, N 
20 витків, см (12), тоді з виразу (13) випливає 
Потужність, споживана лінзою, складе 
(14)
де f частота перемикань (50 Гц).
Підставляючи у вираз (14) значення величин, отримаємо 
Очікувана електрична потужність термоядерної електростанції приблизно 10 9 Вт, в т.о лінза буде споживати 0,01% цієї потужності.
Характерне час перехідного процесу при перемиканні полярності лінзи становить величину L / R. Опір R виберемо з умови, щоб час перехідного процесу не перевищувало 1% часу протікання струму однієї полярності. При 50 Гц (10 -2 с) необхідно
L / R 
10 -4 с.
Звідси отримаємо умову R 
10 4 × L 60 Ом.
Таким чином, якщо навіть вважати, що за час перехідного процесу енергія повністю втрачається (що не так), то ці втрати будуть менше 1% загальної енергії електростанції. Для того, щоб не були неприпустимі великі теплові втрати в котушках (RI 2), їх опір необхідно робити менше 1 Ом, а великий опір 100 Ом включати в ланцюг тільки в момент перемикання. Створення такого комутатора принципових труднощів не викликає. Такий комутатор включається до складу живильного лінзу генератора.
Таким чином, додаткові втрати енергії, пов'язані з введенням квадрупольної лінзи, не перевищуватиме 1,4% + 1% 2,4% що менше втрат енергії в інверторах. При цьому досягається значне спрощення, здешевлення перетворювача, підвищення його надійності і полегшення експлуатації за рахунок виключення великого числа елементів перетворювача (десятки і більше), які не володіють достатньою надійністю і дороги.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
Пристрій для прямого перетворення теплової енергії високотемпературної плазми в електричну енергію, що містить розташовані послідовно уздовж напрямку пучка електрод-експандер, електрод-супресор, багатосекційний колектор і приєднані до секцій колектора силові електричні трансформатори, що відрізняється тим, що, з метою розширення області застосування за рахунок забезпечення можливості використання пучка довільної форми, електрод-експандер і електрод-супресор виконані у формі циліндрів, при цьому за електродом-супрессором встановлена електромагнітна квадрупольними лінза, намагнічуючі котушки якої з'єднані з генератором змінного струму, а за лінзою встановлені два розташованих уздовж осі симетрії електродів і ізольованих один від одного багатосекційних колектора, які розміщені у взаємно ортогональних площинах.
Версія для друку
Дата публікації 13.02.2007гг
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.