Учебное пособие 1992

экспериментальным путем и подбор режимов работы индикатора для определенных газов и продуктов сгорания; подключение прибора к системе кондиционирования салона автомобиля и обеспечение подачи большего потока воздуха при обнаружении опасности отравления; разработка рекомендации по практическому использованию микроэлектронного индикатора утечек токсичных и взрывоопасных газов в автомобилях.

Результаты НИОКР, полученные на данный момент. На данный момент получены образцы, выполненные по микроэлектронной технологии. Датчик газа содержит чувствительный слой из SnO2, нагреватель из слоя платины сопротивлением 22 Ом. Для десорбции и дегазации чувствительного слоя SnO2 был применен изотермический отжиг при температуре 500оС. Исследовалась газовая чувствительность тестовых структур к парам пропана, бутана, водорода в воздухе. Величина газовой чувствительности определялась как отношение сопротивления чувствительного элемента на воздухе к сопротивлению чувствительного элемента в парах исследуемого газа. Максимальная газовая чувствительность (3 отн. ед.) наблюдается при температуре 2870С, то есть изменение сопротивление чувствительного элемента в 3 раза.

После исследования рынка полупроводниковых датчиков газа мы убедились, что наши датчики стоят намного дешевле своих конкурентов из Японии. Представители фирмы Figaro оценивают свой товар в 7-8 $, тогда как наши датчики газа будут стоить всего 2 $ и, плюс ко всему, предлагаемый нами индикатор за 3 $.

Ожидаемые научные результаты по завершении 1-го года финансирования и 2-го года финансирования. По завершению 1-го года финансирования планируется изготовить опытную партию датчиков и эл.схему индикатора, осуществить подбор датчиков по параметрам, получить результаты по исследованиям увеличения срока службы и снижения вероятности отказа индикатора газов путем уменьшения термической нагрузки на него. По окончанию 2-го года планируется получить результаты исследования работы индикатора токсичных и взрывоопасных газов при длительной эксплуатации, а также выяснить влияние окружающей среды (температура, высокая влажность, примеси газов в воздухе) , а также разработать рекомендации по практическому применению в автомобильной промышленности.

141

УДК 621.382.323

ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С МЕТАЛЛООКСИДНЫМ КАНАЛОМ

С.И.Рембеза, Е.Ю.Плотникова, К.Н.Багнюков Воронежский государственный технический университет

E-mail: Katy-TokRa@yandex.ru

Известно, что органический светодиод (англ. OLED) — полупроводниковый прибор, изготовленный из органических соединений, который эффективно излучает свет, если пропустить через него электрический ток. Переход на OLED-технологии при создании устройств отображения информации (дисплеев) предполагает, что производство таких дисплеев будет намного дешевле, нежели производство жидкокристаллических дисплеев. Поэтому становится актуальным использование TFT-транзисторов как переключателей или элементов управления в активной матрице OLED-дисплея. Мы выбираем именно этот тип транзисторов, так как они отвечают основным требованиям компонентов дисплеев - высокой стабильности работы, малого времени задержки и хорошего коэффициента контрастности, благодаря чему воспроизведение видеосигналов происходит с небольшой потерей качества. Главное достоинство данных структур – это возможность формирования прозрачных элементов управления для приборной панели автомобиля или полностью прозрачного монитора телевизора. Таким образом, мы сможем перенести индикаторы с приборной панели автомобиля на ветровое стекло или создать телевизионную панель с прозрачным монитором и блоком управления, интегрированным в подставку.

Структурные особенности TFT-транзисторов (металлооксидный канал) позволяют использовать их в качестве сенсоров газовой среды. Подобные устройства должны обеспечивать выборочную реакцию на определенные компоненты среды (что возможно при различном значении сопротивления канала), обладать высокой надежностью и воспроизводимостью результатов. В случаях, когда требуется сверхточное измерение и контроль, например в условиях специализированных лабораторий, вопрос о стоимости не так актуален. Однако находится множество случаев, когда требуются миниатюрные, дешевые, простые в использовании и обслуживании

142

системы, пригодные для использования в любых условиях. Сенсорные элементы таких систем должны обладать максимально высокой чувствительностью, избирательностью, стабильностью свойств и технологичностью в производстве.

В работе мы ставим задачей создание собственной TFT – структуры, как элемента переключения в схеме прозрачного OLED-дисплея, с лучшей чувствительностью к парам токсичных и взрывоопасных газов, исследование экспериментальным путем и подбор режимов работы транзистора для определенных газов, разработка рекомендации по практическому использованию TFT - транзистора чувствительного к токсичным и взрывоопасным газам.

В результате исследования мы убедились, что транзисторы, расположенные на образце T1 и T3, чувствительны к парам газа, то есть могут выступать в роли газоанализаторов. Исходя из того, что образец T1 был изготовлен при комнатной температуре и толщина канала составляет 20 нм, а T3 при температуре отжига равной 400°C и толщина его канала 10 нм, вытекает, что T3 имеет поликристаллическую структуру, а T1 – аморфную, что объясняет медленную релаксацию образца T1 после воздействия парами спирта. Так же было замечено, что при выборе низкоомной пластины в качестве затвора к образцам – T3 чувствителен к парам, тогда как T1 нет, а при выборе высокоомной пластины - чувствителен только T1, в отличие от T3.

УДК 621.039.52

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ СИСТЕМЫ ГАЗИФИКАЦИИ ЖИДКОГО АЗОТА ДЛЯ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ПРИВОДА АВТОТРАНСПОРТА

М.А.Босых, А.А.Максименко, В.А.Максименко Воронежский государственный технический университет Воронежский государственный университет

E-mail: makcbosikh@list.ru

Как известно, автомобили с силовыми установками (СУ) на основе двигателя внутреннего сгорания (ДВС) сегодня являются главным источником опасного для населения городов загрязнения. Применение

143

транспорта с ДВС и электротягой ограничено во взрывоопасных местах, закрытых помещениях, некоторых исторических и культурных памятниках. Силовой электропривод имеет такие недостатки как высокая стоимость батареи, еѐ большой вес, большое время перезарядки, ограниченное количество циклов заряда – разряда, сложности при утилизации батарей, высокий уровень электромагнитных излучений вредных как для живых организмов, так и для инфраструктуры. Поэтому, поиск и использование альтернативных способов преобразования и использования энергии для автомобильного транспорта, не загрязняющих окружающую среду, является актуальной научно-технической задачей.

Во многих странах (Франция, Австралия) ведутся работы над созданием автомобилей работающих на сжатом воздухе. Системы отличаются простотой, дешевизной и полной экологической безопасностью. Главным минусом таких авто является низкий запас хода 25 – 30 км, однако появляются сведения и о 100 - 150 км на одной заправке, что позволяет уже сравнивать их с электромобилями. Запас хода в 150км достигается при использовании специальных баллонов с рабочим давлением до 700бар. Высокое давление баллонов приводит к снижению безопасности (особенно в случае ДТП) и увеличению веса и стоимости системы. Использование в качестве энергоносителя сжиженного, а не сжатого азота позволяет хранить такое же количество газа (причѐм в баллоне при давлении 1 - 10 бар) как и в баллоне при давлении 700 бар, что резко повышает безопасность, запас хода и снижает стоимость.

Несколько лет назад в США были разработаны первые экспериментальные модели криогенных автомобилей с пневмодвигателями. Такие автомобили представляют интерес не только с точки зрения экологической безопасности, но и помогут решить ряд энергетических проблем. Однако дальше экспериментальных образцов такое перспективное направление не движется. Это связано как с техническими вопросами, так и с отсутствием развитой инфраструктуры (специализированных заправок с жидким азотом). Однако при применении в специализированных областях использования (на внутризаводском транспорте, в качестве учебных автомобилей для первоначального обучения детей внутри помещений, в зонах отдыха, пансионатах) пневмоавтомобили на криогенном энергоносителе могут найти применение уже сейчас.

Криогенная СУ, работающая на жидком азоте (LN2) с температурой кипения 77К, предназначена для преобразования тепловой энергии окружающей среды при газификации жидкого азота в механическую энергию, которая может быть использована, в частности, для при-

144

ведения в движение криогенного автомобиля. В качестве рабочего тела используется молекулярный азот, который, как известно, является химически инертным, негорючим и безопасным в эксплуатации газом. Жидкий азот получают из атмосферного воздуха на специальных воздухоразделительных установках с использованием электроэнергии (в среднем на производство 1 л LN2 требуется 0,4…1 кВт×ч, однако поступают сведения и о 0,05 кВт×ч). По окончанию рабочего цикла в СУ газообразный азот возвращается в атмосферу, не нарушая равновесия окружающей среды. Немаловажным плюсом использования жидкого азота в качестве альтернативного энергоносителя является возможность его сравнительно простого хранения. Если привязать циклы его производства к ночному тарифу энергосетей, то стоимость производства жидкого азота упадѐт в несколько раз.

В состав СУ (рисунок), работающей на жидком азоте, входит специальный сосуд Дьюара 1, теплообменник 5 с запорной регулирующей и измерительной аппаратурой, обеспечивающие превращение жидкого азота в газообразный азот высокого давления с температурой, близкой к температуре окружающей среды, и пневмодвигатель 8. [1]

Схематическое изображение стационарной криогенной силовой установки

В случае применения пневмопривода на автомобиле, для повышения КПД использования жидкого азота, требуется разработать систему рекуперации энергии при торможении, систему быстрого поднятия давления при запуске, эффективную систему газификации с элементами защиты.

Разработка системы автомобильного пневмопривода связана со многими техническими трудностями. Использование жидкого азота с температурой 77К предъявляет высокие требования к криогенному ба-

145

ку, системе газификации и запорной арматуре. В настоящий момент промышленность не выпускает криогенных баков, рассчитанных на 10 - 20 бар, нет малогабаритных криогенных насосов для подачи жидкого азота под давлением 10 бар. В литературе слабо освящены вопросы использования воздушных теплообменников в системе газификации жидкого азота. Здесь на первый план выходят вопросы борьбы с обмерзанием воздушных теплообменников.

В2009г. В Технопарке Воронежского Государственного Университета был создан опытный экземпляр пневмопривода на жидком азоте

иприменѐн на автомобиле ОКА ВАЗ1111 (авторы Максименко А.А., Ховив Д.А., Лобанов М.В., Зайцев С.В.), он учавствовал на 3 Воронежском промышленном форуме в 2010г. Опыт эксплуатации данного автомобиля выявил его сильные и слабые стороны: недостаточную мощность привода (как следствие невысокую скорость), обмерзание воздушных теплообменников при длительной езде, отсутствие системы рекуперации, обогрева салона и высокий расход жидкого азота (1л на 1км пробега). Но вместе с этим он отличается низким уровнем шума, высокими тяговыми характеристиками, полностью готов к применению на автодорогах общего пользования, сохранены все стандартные элементы управления автомобилем. Запас хода при скорости 30 км/ч составляет порядка 50 км. Подтверждена жизнеспособность и перспективность данного направления работ.

Взаключение перечислим основные преимущества применения криогенных силовых установок в автомобилях:

-полная экологическая чистота;

-недорогая технология производства и обслуживания СУ;

-эффективный КПД пневмодвигателя может достигать 50…60 % [1], что значительно превышает максимальный КПД двигателей внутреннего сгорания;

-пневмодвигатель обладает также высоким пусковым моментом

илучшей приемистостью по сравнению с ДВС;

-возможность рекуперации энергии при торможении, пожаробезопасность;

-доступность и относительно низкая стоимость рабочего тела (сжиженный или сжатый азот, воздух);

-экономическая целесообразность (стоимость 1 км пробега криоавтомобиля сопоставима

со стоимостью пробега для автомобиля с ДВС, если учесть вред, наносимый населению и окружающей среде выхлопами ДВС);

146

-возможность использования на борту высокоэффективных сверхпроводящих устройств

-существенным преимуществом пневмодвигателя на ДВС является более высокий КПД (50-60%) по сравнению с ДВС (30-40%) на стенде и 10-20% в городском цикле езды [2].

Литература

1.Разработка криогенной силовой установки для экологически чистого автомобиля/ БондаренкоС.И., КудрявцевИ.Н., ЛевинА.Я., ЛевченкоН.М.,Муринец-МаркевичБ.Н., ПятакА.И. // Вопросы атомной техники и науки. 2004, с. 152-157.

2.Эффективность использования пневмодвигателя в автомобиле. / Кудрявцев И.Н.,Пятак А.И.,Бондаренко С.И.,Левин А.Я.,Муринец-Маркевич Б.Н., Пламмер М.Ч. // Альтернативная энергетика и экология. № 2 (22), 2005, с 82-88.

УДК 621.311.245

АВТОНОМНАЯ РОТОРНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

М.И.Смородинов Воронежский государственный технический университет

E-mail: smorodinov21@mail.ru

Актуальность. В последнее время человечество успешно разрабатывает так называемые источники возобновляемой энергии (ветроэнергетические установки (ВЭУ), солнечные батареи, энергии приливов-отливов, геотермальные источники и т.д.), которые не наносят ущерб окружающей среде.

Благодаря наилучшей отдаче от капиталовложений самым привлекательным источником является установка, преобразующая энергию ветра в электрическую. Дома вы или вас нет, установка питает все работающие приборы (холодильник, сигнализацию и освещение) совершенно бесплатно и заряжает аккумуляторы, которыми можно воспользоваться во время пиковых нагрузок, например, утром и вечером, когда мощности ветроэнергетической установки недостаточно, тем более, при отсутствии ветра. Кроме того,

147

вложение денег в ВЭУ избавит от проведения линии электропередач и газа, позволит иметь бесплатную энергию.

Цель.Создание опытного образца ветрогенератора нового поколения и разработка систем энергообеспечения на основе высокоэффективных автономных энерстановок мощностью от 500 ВТ до 5 КВТ.

Задачи. Разработать конструкцию типового ветрогенератора, обладающего высоким КПД, компактностью и модульностью исполнения, автоматической стабилизаций по ветру без применения сложных и громоздких технических механизмов.

Методика. Исследование аэродинамических характеристик модуля преобразования ветровой энергии в энергию кручения вала генератора с целью создания максимально эффективного ротора для широкого диапазона скоростей ветрового потока.

Установки данного типа предназначаются для генерации электроэнергии в регионах с плохими топографическими особенностями, со слабыми ветровыми показателями, с не постоянным, часто меняющимся направлением ветра. Центрально-черноземный регион наиболее соответствует этим условиям (среднегодовая скорость ветра – 4-6 м/с).

Предлагается создание ветрогенератора роторного типа с вертикальной осью вращения. Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения имеют важные преимущества перед ветрогенераторами с горизонтальным расположением оси. Для них отпадает необходимость в устройствах для ориентации на ветер, упрощается конструкция и уменьшается гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и прочих элементах установок с горизонтальной осью вращения.

К таким установкам относятся устройства с пластинами, чашеобразными или турбинными элементами, а также роторами Савониуса с лопастями S-образной формы, на которые действует также и подъемная сила. Устройства такого типа обладают большим начальным моментом, но меньшей быстроходностью и мощностью по сравнению с обычным ротором.

Данный ротор относится к ветрогенераторам, использующим подъемную силу, которая появляется на выгнутых лопастях, имеющих в поперечном сечении профиль крыла. Ротор имеет сравнительно небольшой начальный момент, и большую быстроходность, в силу этого - относительно большую удельную мощность, отне-

148

сенную к его массе или стоимости. Такие роторы могут иметь различную форму (Φ-, -, Υ- и ромб-образную) с одной, двумя или большим числом лопастей.

Область применения.

1.Электроснабжение, водоснабжение и отопление отдельно стоящих зданий и сооружений

2.Энергоснабжение многоэтажных многоподъездных домов

3.Водоснабжение и очистка от загрязнений, солей

4.Осушение заболоченных участков

5.Обеспечение водой в засушливых районах

6. Зарядка аккумуляторных батарей 7.Мониторинг нефте и газо-проводов, охрана территорий 8.Охрана территорий 9.Охрана границ и питание узлов телеметрии

10.Объединение нескольких установок в ветро-парки.

Врезультате проведѐнных первоначальных исследований предлагаются следующие основные характеристики ветрогенератора малой мощности.

Диаметр ротора – 2.1 м;

Высота крыльев ротора – 3 м * 3 шт.; Стартовая скорость ветра – 1,5 м/с; Выходное напряжение – 36 В / 220 В / 50 Гц;

Максимальная мощность при ветре 10 м/с – 0.5 КВТ; Выработка при ветре 5 м/с – 96 КВТ в месяц Максимальная скорость ветра – 45 м/с.

Контроллер турбины микропроцессорный, интеллектуальный, с отслеживанием пиковых нагрузок.

Материал лопастей – карбоно-волоконный композит. Защита превышения оборотов ротора – аэродинамический

автоматический тормоз.

Бесщеточный ниодимовый генератор (КПД – 80 % - 91 %).

Вкачестве основной конструктивной схемы была выбрана схема с тремя лопастями, расположенными под углом 120 градусов относительно друг друга.Для увеличения устойчивости необходимо использовать 3 раскоса, которые так же расположены под углом 120 градусов.

149

Внешняя обшивка

Заполнитель

(энергоплекс)

Законцовка (углеволокно)

Конструкция лопасти ВЭУ

Для данной установки как вариант выбрали 20% симметричный двояковыпуклый аэродинамической профиль, который обладает минимальным сопротивлением воздуха, и оптимальными прочностными характеристиками. Ширина лопасти составляет 0,1 м , а длина лопасти составляет 3.7 м.

Проведены аэродинамические расчѐты конструкции на нескольких скоростных режимах, которые подтвердили работоспособность конструкции.

Выводы. Создание малогабаритных ветроэнергетических установок является перспективным вариантом альтернативной энергетики. Такие установки могут выполняться как в стационарном, так и в мобильных вариантах. Экономические расчѐты показали доступность такой системы даже для бытового использования.

150