Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в э

поверхности делаются либо частично отражающими, либо одна полностью, а вторая частично отражающей. Триумфальное шествие резонатора Фабри–Перо, способного запасать оптическую энергию, начинается после того, как почти одновременно в 1958 году А. Прохоров и А. Шавлов с Ч. Таунсом предложили использовать его для создания лазера.

В настоящее время лазеры обеспечивают высокую мощность монохроматического излучения– до 105 Вт в непрерывном режиме и до 1013 Вт в импульсном режиме и используются в различных отрасляхпромышленности [4], включая энергетику (рис. 1).

Рис. 1. Распределение спроса на лазерные технологические системы в России по отраслям и основным технологическим

2. Оптическое волокно – проводник энергии фотонов

Подобно джоулевым потерям электрической энергии энергия фотонов при ее распространении в оптически прозрачной среде также затухает, рассеиваясь в виде фононов – квазичастиц, представляющих кванты колебательного движения атомов кристалла. Высокой прозрачностью обладает сверхчистый плавленый кварц, который является основным материалом оптических волокон. Диаметр сердцевины таких волокон составляет от десятков до сотен мкм. В спектральной области инфра-

21

красного диапазона минимальные оптические потери достигают 0,2 дБ/км, составляя несколько процентов на километре длины кварцевого волокна [5].

Специальные примеси, вводимые в кварц легированием редкоземельных элементов группы лантаноидов, превращают его в активную среду, повышающую эффективность генерации или усиления энергии в определенной области спектра длин волн. Одним из распространённых типов волокон является эрбиевое волокно, используемое в лазерных и усилительных системах, рабочий диапазон которых лежит в интервале длин волн

1530…1565 нм.

3. Волоконные лазеры и усилители мощности

Первый волоконный лазер с генерацией излучения на ионах неодима был продемонстрирован в 1961 году Е. Снитцером [6]. Стремительное развитие волоконных лазеров началось с конца 1980-х (рис. 2). По темпам роста мощности твердотельные и СО2-лазеры достигли насыщения, в то время как мощность волоконных лазеров возрастает быстрыми темпами, превышая значение 100 кВт [7]. Плотность переносимой энергии фотонов на два порядка выше по сравнению с плотностью электрической энергии, переносимой в соответствии с существующим техническим регламентом [6]. Основные направления исследований связаны с экспериментированием в использовании различных примесей в оптических волокнах для достижения заданных параметров генерируемого излучения.

Волоконный лазер состоит из модуля накачки, например, широкополосного светодиода, световода, в котором происходит генерация, и резонатора [8] (рис. 3). Световод содержит активное оптоволокно и волноводы накачки. Активная среда волоконного лазера представляет собой световод диаметром 20…50 мкм из легированного стекла, окруженного двумя прозрачными (стеклянными) оболочками – волноводом для излучения накачки, поступающего с торца от диода накачки или по всей внешней поверхности оболочки от диодных лазерных линеек.

22

В настоящее время волоконные брэгговские решетки широко используются не только в линиях связи (узкополосные фильтры, компенсаторы дисперсии и др.), но и для усиления энергии в волокнах с добавками эрбия.

Волоконная брэгговская решетка представляет собой участок оптического волокна, в сердцевине которого наведена периодическая структура показателя преломления с периодом Λ, имеющая определенное пространственное распределение. На рис. 4 приведена схема такой решетки. Создание решетки, являющейся встроенным в волокно оптическим интерферометром, основано на фоточувствительности легированного кварцевого стекла, т.е. его способности изменять показатель преломления (на 10–4…10–2) под действием ультрафиолетового излучения. Такое волокно практически полностью отражает свет определенного, наперед заданного диапазона длин волн и пропускает свет всех остальных длин волн, обеспечивая усиление потока фотонов.

Рис. 4. Схематическое изображение волоконной решетки показателя преломления в сердцевине волокна:

1 – сердцевина; 2 – оболочка

Записанная в световоде брэгговская решетка формирует обратную связь на резонансной длине волны. Она может играть роль зеркала внешнего резонатора, обеспечивающего генерацию одной продольной моды лазера, длина волны которой находится в контуре отражения решетки (рис. 5).

24

Заключение

Усиление энергии фотонов в оптическом волокне в виде потока инфракрасного излучения, концентрируемого в волоконном лазере, является ярким достижением квантовой электроники. Волоконные лазеры стремительно прогрессируют по темпам роста мощности, КПД, компактности и другим показателям. Достигнутая в настоящее время мощность 100 кВт переносимой энергии в оптоволокне по плотности упаковки на два порядка превышает допустимую техническим регламентом плотность переносимой электрической энергии.

Прогрессирующие темпы развития оптоволоконной техники могут привести к тому, что преобразование и перенос энергии в виде потока инфракрасного излучения (фотонов) могут оказаться в некоторых случаях экономически более выгодными по сравнению с переносом энергии в виде потока электронов.

Список литературы

1.Физика. Никола Тесла «Война токов» // Электронный ре-

сурс. – URL: http: //werzilla.ru/fizika/18-nikola-tesla-vojna-tokov.html.

2.Lamb W.E. Jr., Anti-photon // Appl. Phys. – 1995. – B 60. –

77–84.

3.Лазер // Электронный ресурс. – URL: https: //ru.wikipedia.org/wiki/%CB%E0%E7%E5%F0.

4.Сапрыкин Д. Возможность будущего роста: анализ перспектив российского рынка лазерных технологий в условиях кризиса // Лазерное оборудование. – 2009. – № 9. – С. 19–24.

5.Цаплин А.И. Фотоника и оптоинформатика. Введение в специальность: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн.

ун-та, 2012. – 399 с.

6.Цаплин А.И. Перспективы фотонной энергетики // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. – 2014. – № 12. – С. 89–97.

26

7.Казакевич В.С., Яресько С.И. Тенденции развития рынка лазерных технологий для решения задач лазерной обработки материалов. Ч. 1: Мировой лазерный рынок // Известия Самар. науч. центра РАН. – 2014. – Т. 16, № 4. – C. 266–275.

8.Волоконный лазер [Электронный ресурс]. – URL: http: //www.waltcher.ru/ % D0 % B2 % D0 % BE % D0 % BB % D0 % BE % D0 % BA % D0 % BE % D0 % BD % D0 % BD % D1 % 8B % D0 % B9- % D0 % BB % D0 % B0 % D0 % B7 % D0 % B5 % D1 % 80/

9.Фотоиндуцированные волоконные решетки показателя преломления и их применения [Электронный ресурс]. – URL: http: //gratings.fo.gpi.ru/index.php? page=19.

10.Волоконные решетки показателя преломления и их применения / С.А. Васильев, О.И. Медведков, И.Г. Королев, А.С. Божков, А.С. Курков, Е.М. Дианов // Квантовая электроника. – 2005. –

Т. 35. – №12. – С. 1085–1103.

Сведения об авторе

Цаплин Алексей Иванович – доктор технических наук,

профессор, заведующий кафедрой общей физики Пермского национального исследовательского политехнического университе-

та, e-mail: tai@pstu.ru.

27

Г.А. Тимофеева

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА НА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Повышение энергоэффективности машиностроительных предприятий связано с внедрением инновационных ресурсосберегающих проектов на всех этапах жизненного цикла продукции, что предполагает необходимость совершенствования организационной структуры управления предприятием и внедрения эффективных систем мотивации персонала.

Ключевые слова: энергоэффективность; инновационная деятельность; машиностроительное предприятие; организационная структура; мотивация.

G.A. Timofeeva

Perm National Research Polytechnic University

PROBLEMS OF MAINTENANCE OF THE POWER PRODUCTION EFFICIENCY AT THE MACHINE-BUILDING FACTORIES

Energy efficiency engineering companies due to the introduction of innovative resource-saving projects at all stages of the product life cycle, suggests the need to improve the organizational structure of the enterprise management and the introduction of effective systems of personnel motivation.

Keywords: energy efficiency; innovation; Engineering Enterprise; organizational structure; motivation.

Энергоэффективность производства – это комплекс технологических, экономических и организационных мер, направленных на более рациональное использование энергоресурсов предприятия.

Инновационная деятельность – фактор повышения конкурентоспособности предприятия и экономического роста.

Обеспечение энергоэффективности машиностроительного производства предполагает необходимость внедрения иннова-

28

ционных проектов службой главного энергетика. При этом возникает необходимость «привязать» все мероприятия по инновационной деятельности и совершенствованию организации производства к целевым показателям предприятия [1]. Иначе говоря, необходима координация практически всех функциональных подсистем предприятия.

Ниже представлен типовой состав функциональных подсистем машиностроительного предприятия:

СП – стратегическое планирование; МиС – маркетинг и сбыт;

ТЭП – технико-экономическое и социальное планирование; ТПП – управление технической подготовкой производства; Ост – организация работ по стандартизации; ОПр – организация производства (основного, вспомогатель-

ного и обслуживающего); УТП – управление технологическими процессами;

ОУП – оперативное управление производством; УП, ОТиЗ – управление персоналом, организацией труда

и заработной платы; МТС – материально-техническое снабжение и др.

В настоящее время следует признать, что функциональное разделение труда и в производстве, и в управлении выполнило свою полезную миссию и по закону предельной полезности зачастую тормозит внедрение общесистемных, интегративных, междисциплинарных задач. В настоящее время практика ТПП, ТЭП, УТП и организации производства не в полной мере отвечает требованиям развития промышленного предприятия. Критерии и целевые функции, используемые для оценки вариантов инновационных технологических решений на этапе ТПП (снижение материало-, энерго-, трудоемкости, длительности технологического цикла детали, изделия), как правило, не ориентированы на рациональную организацию производственного процесса в целом. Технологический цикл изготовления детали, изделия вырастает в солидную длительность производственного цикла,

29

неритмичность, рост себестоимости продукции и снижение основных технико-экономических и финансовых показателей деятельности предприятия [2].

Как показывают материалы обследования промышленных предприятий, единого центра управления инновационной деятельностью нет. Большое разнообразие классификационных признаков инноваций, функциональное разделение труда в управлении предприятиями, комплексная характеристика инноваций подтверждают в настоящее время несостоятельность постановки вопроса о создании единого центра управления инновационной деятельностью на промышленном предприятии. При этом обостряется необходимость совершенствования организационных структур управления, обеспечения эффективного взаимодействия функциональных подсистем на промышленных предприятиях по всему жизненному циклу (рисунок).

Рис. Жизненный цикл продукции

ифункциональные подсистемы предприятия

Врешении названной проблемы в настоящее время большие надежды возлагаются на Тим-центры. На одном из предприятий в настоящее время решается задача «Обеспечение

30