Диссертация (1143641), страница 42
Текст из файла (страница 42)
В этом случае угол атаки лопасти также меняется, приводя кснижению эффективности. Увеличивая мощности ВЭУ, мы приходим к ситуации, когда еѐэффективность вследствие указанных явлений значительно понижается.Найти техническое решение описанных проблем ВЭУ большой мощности можно путемрассуждений в следующей последовательности.220Рассмотрим основное техническое противоречие для ВЭУ большой мощности. Видеальном случае равномерного воздушного потока лопасть расположена так, что она имеетаэродинамический профиль с оптимальным углом атаки, обеспечивающий максимальный КПД.Однако из-за неравномерности воздушного потока в пространстве и во времени угол атаки несоответствует оптимальному и КПД снижается.
Следовательно необходимо разработатьсистему, которая бы измеряла текущее положение лопасти и при необходимости меняла его впроцессе работы, для достижения оптимального угла атаки.Технически реализовать поворот лопасти не составляет труда. Такие механизмыприменяются в современных ВУЭ с использованием метода pitch регулирования генерируемоймощности [141, 142].В настоящий момент оптимальное положение лопасти рассчитывается по данным онаправлении и скорости ветра, которые измеряются одним анемометром. Внедрение датчиковдифференциального давления непосредственно на саму лопасть позволит иметь информацию ореальном аэродинамическом состоянии лопасти.
Использование обычных датчиков малогодифференциального давления затруднено в виду особенностей условий эксплуатаций. Надатчик, находящийся внутри лопасти действуют переменные силы, связанные с вращениемсамой лопасти, соответствующим изменением направления действия вектора силы тяжести, атакже вибрации и изменяющиеся температурные условия. Кроме этого точность измерениядавления должна быть по возможности большей для нахождения оптимального угла установкичасти лопасти, а возможность проводить поверку или калибровку датчиков ограничена.
Все этипричины затрудняют или даже не позволяют вовсе использовать системы для измеренийдифференциального давления в лопастях ВЭУ. Однако все эти факторы не имеют большоговлияния на предложенную нами ранее измерительную систему на основе микрофлюидногомостика Уинстона. Поэтому описанная нами измерительная система является, по-видимому,единственно возможным сегодня техническим решением для измерения дифференциальногодавления и управления угла атаки лопасти ВЭУ большой мощности.Детальные описания и расчеты предложенной конструкции и системы управленияветроэнергетическими установками большой мощности представлены в [143]. Предлагаемыетехнические решения защищены патентом РФ № 2572252 от 11.07.2014. Обобщая этиматериалы можно сказать, что нами найден способ повышения эффективности ВЭУ большоймощности за счет использования разработанной оригинальной конструкции лопастиветроколеса и применения нового адаптивного метода управления в режиме реального времени.Эффективность предложенного решения была показана при рассмотрении учета влиянияследующих реальных факторов на работу ВЭУ: изменение скорости ветра по сечениюветроколеса, в том числе и с высотой, изменение скорости ветра во времени по скорости и по221направлению, изменение частоты вращения ветроколеса.
Применение нового методауправления позволяет повысить энергоэффективность ВЭУ на 10-15% и более. Работа вноситзначительный вклад в развитие ветроэнергетики и способствует решению глобальныхэкологических проблем человеческой цивилизации.Формулируя краткий вывод по этой области применения технологии микрореакторов сжидкой фазой, можно говорить о том, что рассмотрен весь путь практического применениясозданной технологии. Начав с описания того, как технология микрореакторного травлениякремния позволяет решать технологические задачи и создавать новые микроустройства, далеебыли исследованы свойства новых микросистем, в частности микрофлюидного мостикаУинстона.
Обнаружены особые свойства микрофлюидного мостика, на основе которых быласделана разработка системы для высокоточного измерения дифференциального давления,которая обладает существенными преимуществами перед известными аналогами. В конечномитоге, проводя анализ областей применения этой измерительной системы, найденаспециализированная ниша в виде ветроэнергетических установок большой мощности, длякоторой показано, как при использовании разработанной измерительной системы можноповысить эффективность генерации энергии на 10-15%, тем самым внеся свой вклад в решениипроблемыглобальногоизмененияклиматанаЗемле.Показаннаявэтомразделепоследовательность развития разнообразных технических систем, начиная от лабораторныхтехнологий микросистемной техники и заканчивая глобальными энергетическими проблемами,является доказательством того, что рассматриваемая в диссертационном исследованиитехнология химических микрореакторов имеет мощный научный и практический потенциал.7.3.
Применение микрореакторов с жидкой фазой для решения технологическихпроблем создания устройств микросистемной техникиВ данном разделе мы рассмотрим, как микрореакторы могут служить для улучшенияхарактеристик уже известных микроустройств, являясь одновременно технологией их создания.Рассмотрим известную проблему создания микроканалов заданного поперечного сеченияв многослойных пластинах.
На рисунке 7.3.1 показаны схемы возможных сечениймикроканалов, созданных в двухслойных пластинах. Во всех представленных случаях, заисключением (c) и (d), изначально в технологическом процессе создаются каналы в каждойпластине по отдельности, а далее происходит соединение пластин между собой. При этом вонеобходимо обеспечить совмещение рисунков каналов между собой. Это достаточно большаяпроблема по нескольким причинам. Во-первых, требуется специализированное оборудование,которое может совмещать, а потом соединять пластины, или достаточно сложная оснастка. Всеэто достаточно дорогие решения.222Рисунок 7.3.1 – Возможные схемы микроканалов к многослойных пластинах: (a) стеклостекло; (b) кремний-кремний; (c) стекло-кремний; (d) стекло-кремний; (e) кремний-кремний; (f)кремний-кремний; (g) стекло-кремний; (h) стекло-кремний.
[c 75, 88]Во-вторых, даже при наличии такого оборудования, точность совмещения остаетсяневысокой, что объясняется большой толщиной самих пластин, что накладывает ограниченияна возможность применения оптических систем. Это приводит к тому, что даже производительтехнологического оборудования не гарантирует точность совмещения лучше чем 5 мкм.На рисунке 7.3.2 показан пример дефектов, возникающих при ошибках рассовмещениямикрофлюидной структуры [144]. Очевидно, что такого рода дефекты приводят к изменениюгидравлического сопротивления канала, что может негативно сказаться на функционированиисамогоприбора(вспомнимобаналогичнойтехнологическойпроблемесозданиямикрофлюидного мостика Уинстона). Эта проблема становится все важнее при переходе кмикроканалам с маленьким сечением.
Ошибка в рассовмещении на 5 мкм для канала шириной100 мкм составляет только 5%, а для канала 20 мкм уже 25%, что очень существенно. В [145]показано, что ошибка в относительной ориентации двух слоев в структуре микромиксераприводит к уменьшению эффективности его работы.Проблема создания совмещенных микроструктур в многослойных пластинах являетсяактуальной на современном этапе развития микрофлюидики. Решением этой проблемы можетявляется технология травления в микрореакторах. Основные аспекты этой технологиирассматривались в главе 6, здесь мы уделим внимание вопросам упрощения технологическогомаршрута производства изделий микрофлюидики, при еѐ использовании.223Рисунок 7.3.2 – Фотография рассовмещенных микроканалов [144]Рассмотрим уже упоминавшийся пример формирования совмещенных структур впластинах кремний-стекло, что соответствует структуре (g) и (h) на рисунке 7.3.1.
Сравнениетрадиционного технологического маршрута и предлагаемого нами на основе микрореакторноготравления кремния схематично показано на рисунке 7.3.3. При сравнении мы исходим из того,что производственный цикл изготовления полукруглого канала в стеклянной пластине неизменяется. Мы вносим изменения только в процесс работы с кремнием. В традиционнойтехнологической цепочке необходимо сформировать маску для жидкостного анизотропноготравления из слоев оксида и нитрида кремния. Только маски такого типа выдерживаютдлительное травление в жестких условиях концентрированного раствора щелочи приповышенной температуре. После травления маску требуется снять. Дополнительно отметим,что необходимо защищать обратную поверхность кремниевой пластины от воздействиятравящего раствора.
Это накладывает ограничения на формирование рабочих устройств на этойстороне, поскольку в условиях жидкостного травления кремния с последующим снятием оксидаи нитрида кремния, практически любая полупроводниковая структура будет разрушена.Завершает технологический цикл процесс точного совмещения со стеклянной пластиной ианодный бондинг. Всего эта последовательность включает 7 технологических операций. Приэтом точность совмещения микрофлюидных структур определяется точностью совмещения прианодном бондинге и при благоприятных условиях составляет +/- 5 мкм.224Рисунок 7.3.3 – Схемы двух технологических процессов изготовления микроканала в пластинекремний-стеклоРассмотрим технологическую цепочку с использованием операции жидкостногоанизотропного травления кремния в микрореакторе.
Процесс включает операцию неточногобондинга со стеклянной пластиной и последующий процесс травления кремния в микроканале.В этом случае не требуется проведение фотолитографии, не возникает дефектов на поверхностииз-за проколов в маске. Важным преимуществом является тот факт, что обратная сторонакремниевой пластины совершенно не подвергается воздействию травителей. На ней можноформировать любую полупроводниковую или микромеханическую структуру, которая не будетповреждаться в процессе травления. Погрешность совмещения стремиться к нулю еслирассматривать оси каналов в кремнии и стекле. Небольшое рассовмещение границ каналов в225кремнии и стекле обусловлено только подтравом кремния в плоскостях (111).
Эта величина ужебыла оценена в главе 6 и составляет около 0.5 мкм/ч. При этом важно отметить, что этотподтрав может быть предварительно оценен и учтен в расчетах геометрии микроканалов, вотличие от факта рассовмещения пластин, величина которого является случайным параметроми не поддается предсказанию и учету.Технологический маршрут изготовления совмещенных микрофлюидных структур сприменением операции травления кремния в микрореакторах обладает рядом важныхпреимуществ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
