бесплатно рефераты скачать
  RSS    

Меню

Быстрый поиск

бесплатно рефераты скачать

бесплатно рефераты скачатьКурсовая работа: Роль нанотехнологии в создании более эффективных преобразователей энергии

Курсовая работа: Роль нанотехнологии в создании более эффективных преобразователей энергии

Федеральное агентство науки и образования

Пензенский государственный университет

Кафедра нано- и микроэлектроники

Курсовая работа

«Роль нанотехнологии в создании более эффективных преобразователей энергии»

Выполнили:

ст. гр. 06ЕЮ1

Сапрыкин М.С.

Сорокин О.В.

Проверила:

Гришанова В.А.

2007


Содержание

1.    Введение

2.    Эйфория по поводу нанотехнологий вполне оправдана

3.    Нанотехнологии и переход к водородной энергетике

4.    Не «Дюраселом» единым

5.    Наноканалы генерируют электричество за счёт тока жидкости

6.    Побит рекорд эффективности пластиковых солнечных элементов

7.    Создан двигатель с фотонным питанием

8.    Топливо для нанороботов

9.    Приложение

10. Литература


1. Введение

Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от "микро" к "нано" - это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:

изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;

разработка и изготовление наномашин;

манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.

Разработки по этим направлениям ведутся уже давно. В 1981 году был создан туннельный микроскоп, позволяющий переносить отдельные атомы. С тех пор технология была значительно усовершенствована. Сегодня эти достижения мы используем в повседневной жизни: производство любых лазерных дисков, а тем более DVD невозможно без использования нанотехнических методов контроля.

На данный момент возможно наметить следующие перспективы нанотехнологий:

1. Медицина. Создание молекулярных роботов-врачей, которые "жили" бы внутри человеческого организма, устраняя или предотвращая все возникающие повреждения, включая генетические.

2. Геронтология. Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшения тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики.

3. Промышленность. Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул.

4. Сельское хозяйство. Замена природных производителей пищи (растений и животных) аналогичными функционально комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки "почва - углекислый газ - фотосинтез - трава - корова - молоко" будут удалены все лишние звенья. Останется "почва - углекислый газ - молоко (творог, масло, мясо)". Такое "сельское хозяйство" не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда.

5. Биология. Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными - от "восстановления" вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов.

6. Экология. Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы.

7. Освоение космоса. По-видимому, освоению космоса "обычным" порядком будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком - сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из "подручных материалов" (метеоритов, комет) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.

8. Кибернетика. Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным "переселение" человеческого интеллекта в компьютер.

9. Разумная среда обитания. За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет "разумной" и исключительно комфортной для человека.


2. Эйфория по поводу нанотехнологий вполне оправданна

Тот факт, что нанотехнологии способны внести важнейший вклад в решение проблем как энергетики, так и связанных с ними задач по сохранению окружающей среды, сомнений не вызывает. Линии электропередачи, да и вообще все проводники электроэнергии, аккумуляторы и солнечные фотопреобразователи становятся благодаря им мощнее и повышают свой КПД. Именно это обстоятельство побудило руководство германской земли Гессен, как отмечает еженедельная газета VDI-Nachrichten перейти к организации постоянного диалога между представителями различных энергетических отраслей и нано-учеными. Гессен, по словам земельного министра экономики Алоиса Риля делает ставку на надежную, экологически чистую энергию по доступным для населения ценам и именно достижению этой цели могут помочь нанотехнологии.

Проведенный по инициативе министерства в кооперации с таким научным учреждением Institut fur Solare Кnergieversorgungstechnik форум под названием «Нано-Энергия» продемонстрировал возможности нанотехнологий не только в сфере повышения качественного использования традиционных энергоносителей, в частности ископаемых, включая и ядерную энергетику, таких возобновляемых видов энергии, как тепло земли, солнце, ветер, вода, биомасса. Речь при этом может идти, например, об использовании новых технологий для производства более стойкого к износу бурового оборудования, применяемого для освоения нефтяных и газовых месторождений, для изготовления более легких и стабильных лопастей для роторов ветряных электростанций, для увеличения КПД солнечных панелей за счет роста объема поглощения света на электростанциях, использующих энергию нашего светила. Уже созданы «интеллигентные» окна, способные либо абсорбировать энергию солнца, либо отражать ее в зависимости от времени года и потребности жилища. Перспективным направлением применения нанотехнологий ученые считают работы по улучшению поглощающих свойств традиционных солнечных панелей с использованием кремния или созданию новых видов покрытия из полимерных пленок. Полимеры позволят не только снизить цену таких панелей, но и даже использовать их для энергоснабжения мобильных электронных устройств.

Широкое применение наноматериалы найдут в процессах превращения первичных видов энергоресурсов в другие виды энергии, в том числе в электроэнергию. В автомобильной промышленности это снизит потребление топлива за счет применения наноматериалов в генераторах, в шинах, в специальных добавках в бензин или за счет оптимизации сгорания топлива в моторах, изготовленных на базе наноматериалов. В электроэнергетике предполагается применение покрытий из нановещества в турбинах, топливных элементах. Можно добиться повышения емкости электрических батарей, аккумуляторов и конденсаторов за счет применения при их создании наноэлементов.

Сегодня ученые работают над применением наноматериалов при термоэлектрических превращениях энергии. Речь идет о создании полупроводников с наночастицами, что позволит использовать остаточное тепло как в автомобильных моторах, так и тепло человеческого тела с помощью специальных текстильных наноматериалов.

Потерь энергии можно будет в перспективе избежать за счет применения в системах электропередачи углеродных проводников с добавками наноэлементов.

Однако не только в высокотехнологичных областях возможно применение наноматериалов. Например, в спорте можно резко повысить энергетику мяча для гольфа. Смысл состоит в физических свойствах ротации мяча, благодаря которым он достигает наибольшей высоты. При этом если ротация неравномерно воздействует на ось мяча, то он отклоняется влево или вправо. Использование нанотехнологий при изготовлении таких мячей позволяет им равномерно достигать больших высот без каких-либо отклонений. Возможно, что подобная технология может применяться и при конструировании летательных аппаратов.

3. Нанотехнологии и переход к водородной энергетике

Если рассмотреть «водородные программы» правительств разных стран, становится видно, что их целью является достижение «технологической готовности» такого уровня, на котором станет возможным принимать решения о коммерциализации этой технологии и сателлитных разработок в масштабах промышленности.

На достижение столь амбициозных целей отпущено крайне мало времени: в качестве дат полного перехода к повсеместному использованию водородного топлива называются 2015, 2020 и 2025 гг. Нанотехнологии могут существенно помочь разработкам в этом направлении, поскольку уже сейчас предоставляют решения для каждого из трех ключевых аспектов водородной энергетики – производства водорода, его хранения и создания эффективных топливных ячеек.

Чтобы избежать терминологической путаницы, заметим, что «водородный автомобиль», о котором идет речь в настоящей статье - это не автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, использующим в качестве горючего водород или смесь водорода с природным газом. Имеется в виду «водородный автомобиль» как машина с электрическим приводом, где химическая энергия топлива напрямую преобразуется в электрическую энергию, без механических или тепловых процессов. Чистый выхлоп тепло и вода.

Первая существенная проблема, которую необходимо решить для перехода на водородную основу – это собственно производство водорода. Топливные ячейки на водороде заряжаются водородом через преобразование жидких топлив (бензин, этанол, метанол) в водород прямо внутри самой ячейки, либо используют водород, произведенный где-то в другом месте и хранящийся в баке автомобиля.

Второй способ влечет за собой серьезную инфраструктурную задачу: поскольку пока еще не существует заправочных станций с водородной колонкой, их потребуется построить, а также создать и отладить всю логистическую цепочку – от завода по выработке водорода до бака автомобиля.

Производство водорода может осуществляться с использованием самых разных источников. Наиболее экологически чистые технологии находятся довольно далеко в стороне от главного направления разработок. Эти технологии используют возобновляемую энергию для обеспечения электричеством процесса электролиза воды, получая в итоге водород и кислород.

Технологией с самым высоким уровнем отходов является газификация угля. Как минимум до того времени, когда будут разработаны высокоэффективные способы захвата и отделения углерода. Разумеется, еще можно использовать атомную энергию для обеспечения электролизных станций электричеством – АЭС строятся, и на обеспечение безопасности эксплуатации этих станций тратится много усилий.

Если взять в качестве примера США, чей «водородный комплекс» можно считать одним из самых передовых, и попытаться выяснить, каким способом получают водород в этой стране, то получается следующая картина. Порядка 95 % производимого на сегодняшний день в США водорода (это составляет около 50 % мирового производства) – порядка 9 млн. тонн ежегодно – производится из метана при помощи высокотемпературного пара.

Становится понятно, зачем нефтяникам водородные технологии. Пока политики и энергетики говорят о «чистом будущем», которое наступит в эру водородной экономики, технологический маршрут Министерства энергетики США в данном направлении предусматривает подавляющее большинство – 90 % – водородной генерации на основе ископаемых энергоносителей – угля, газа и нефти – с дополнительной опорой на атомные электростанции.

Другими словами, выбросы парниковых газов останутся на прежнем уровне – только уже не из автомобильных выхлопных труб, а со станций генерации водорода. Существенным препятствием в создании чистых технологий производства водорода является их цена. Пока правительство не утвердит использование водорода в качестве основного топлива, или не увеличит в разы налоги на использование топлив на базе ископаемых энергоносителей, «эквивалент литра бензина» будет основным эталоном для водителей при принятии решения, какое топливо им покупать. А производство водорода из нефти, газа и угля на сегодняшний день является наиболее экономически оправданным методом.

Основной вклад нанотехнологий в «чистое» производство водорода заключается в том, что материалы, созданные с их помощью, могут использоваться в солнечных батареях. Также известны применения результатов нанотехнологических разработок в области катализаторов для процесса электролиза. Основные поиски сейчас нацелены на то, чтобы создать высокоэффективное устройство, которое можно заправить водой, выставить на солнце и получить водород без использования каких-либо внешних энергетических источников.

У солнечных батарей есть потенциал, который поможет воплотить эту идею в жизнь, однако пока мешает этому их низкая эффективность и, наоборот, слишком высокая цена. Правда, похоже, что солнечная энергетика не может покрыть все потребности в обеспечении станций генерации водорода нужным количеством энергии. Если представить, что вся солнечная энергия будет без потерь запасаться в топливные ячейки, то даже при этом условии получаются результаты, которые вряд ли удовлетворят потребителей энергии.

Статистика утверждает, что мировое потребление энергии в 2004 году составило около 404 квадриллионов британских тепловых единиц, или 427,4 млрд. ГДж. С одного квадратного метра поверхности можно в среднем получить 250 Вт за 1 секунду. Для выработки требуемого количества энергии потребуется площадь солнечных батарей в размере 95 млн. кв.км., что составляет около 2/3 всей поверхности суши планеты. А по прогнозу, потребление энергии к 2025 вырастет более чем в 1,5 раза – и тогда придется покрыть почти всю поверхность суши солнечными батареями.

Таким образом, вопрос повышения КПД выходит на первый план. Есть два основных типа солнечных батарей. Один из них производит водород напрямую посредством электрохимического процесса, преобразовывающего солнечную энергию в химическую. Для повышения КПД этого типа батарей существует материал с наноразмерными электродами, который увеличивает отношение поверхности к объему и тем самым повышает эффективность установки.

Другой тип солнечных батарей – фотоэлектрический. С помощью установок этого типа получаемое электричество может направляться на производство водорода путем электролиза воды. Эксперименты с массивами нанопроводов и другими наноструктурными материалами показали, что их применение может увеличить эффективность и таких батарей.

Не вдаваясь в детали, можно сказать, что нанотехнологии в будущем сыграют значительную роль в разработке высокоэффективных типов солнечных батарей, требующихся для создания жизнеспособной альтернативы добыче водорода при помощи ископаемых энергоносителей.

Проблема хранения водорода

Следующая важная задача – это задача хранения водорода. Хранение водорода на борту автомобиля в количестве, необходимом для передвижения, представляет собой серьезный вызов инженерам. По самым грубым подсчетам, для перемещения на расстояние в 100 км требуется около 1 кг водорода. Это значит, что необходимо возить в баке около 5 кг водорода, чтобы иметь возможность покрыть средний дневной пробег. Плотность водорода составляет 0,1 грамма на литр объема при комнатной температуре, следовательно, потребуется разместить 50 тыс. литров водорода в баке.

Есть три способа хранения такого объема: в виде сжатого газа с высокой степенью компрессии, в качестве жидкости (что требует сильного охлаждения), или в твердом виде.

Первый способ использовался в ранних моделях автомобилей, работающих на водороде. Конструкторы разных автомобильных платформ пытаются создать хранилища, которые бы соответствовали техническим требованиям, и при этом имели бы приемлемую цену, но пока рано говорить о каких-то значительных подвижках в данной области.

В прошлом году автомобильная компания Honda анонсировала концепт-кар FCX, который может хранить на борту 5 кг водорода при давлении около 350 кг/см2, причем его бак имеет размеры, позволяющие разместить его на автомобиле средних габаритов.

Использовать давление в десятки килограммов на кв. см. для хранения сжатого водорода, или охлаждение в до минус 252 градусов Цельсия для превращения его в жидкость представляет определенную угрозу безопасности потребителей. В этом свете подходящим альтернативным способом является хранение водорода в виде металлогидридов в хранилище, основанном на принципах адсорбции. В такой емкости водород впитывается во внутренние поверхности пористого материала, и может высвобождаться при помощи тепла, электричества или химической реакции. Известно довольно много металлов, которые могут выступать в качестве наполнителя, способного запасать водород.

Нанотехнологии и здесь могут помочь в решении таких задач. Методы, используемые при создании наноматериалов, позволяют управлять физическими характеристиками получаемых композитов. Это дает возможность формировать удерживающие эффекты нужной силы и получать большое соотношение площади поверхности адсорбента к его объему.

Подобные свойства полезны для разработки наполнителей для хранилищ водорода «третьего типа» - на базе адсорбции. Например, исследователи сейчас изучают свойства полимерных наноструктурированных материалов с целью разработки нового типа адсорбентов для хранилищ водорода. На сегодняшний день идет предварительное тестирование новых материалов, и результаты испытаний выглядят вполне обнадеживающими.

Одностенные углеродные нанотрубки обладают большой поверхностной площадью и при этом имеют относительно малую массу. Эти характеристики нанотрубок, согласно общему убеждению, позволяют считать их одним из наиболее перспективных материалов для создания хранилищ водорода большой вместимости.

Теоретически, в таком хранилище может быть запасено около 7,7 массового процента, поскольку хемосорбция такого материала очень велика: на каждый атом углерода в нанотрубке возможно адсорбировать один атом водорода. В дополнение, последующая физическая адсорбция увеличивает вместимость хранилища еще больше. Так или иначе, некоторый скепсис в отношении хранилищ водорода на базе углеродных наонтрубок был обусловлен ошибками ранних, экспериментальных, стадий и разумная основа для разработки хранилищ водорода высокой вместимости уже заложена.

Создание эффективных топливных ячеек

Теперь перейдем к последней задаче. Это создание эффективных топливных ячеек, в которых химическая энергия водорода будет преобразовываться в кинетическую энергию движения с высоким КПД. Топливные ячейки, в принципе, являются зеркальным отображением батарей электролиза. В последних за счет воздействия электричества происходит разделение молекул воды на водород и кислород, а в топливных ячейках соединение водорода с кислородом производит электричество.

Страницы: 1, 2


Новости

Быстрый поиск

Группа вКонтакте: новости

Пока нет

Новости в Twitter и Facebook

  бесплатно рефераты скачать              бесплатно рефераты скачать

Новости

бесплатно рефераты скачать

© 2010.