Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Астана қаласы Білім басқармасы
№48 мектеп-лицейі
Аты-жөні: Нарекеш Арнұр және Жанұзақ Қуаныш
Сыныбы: 10
Тақырыбы:
Сутек энергиясында жүретін «AlMobile» автокөлігінің жобасы
Бағыты: Сутек энергетикасы
Секциясы: Автокөлік құрылысы
Ғылыми кеңесші - Н.Т.Шындалиев
педагогика ғылымының кандидаты,
Л.Н.Гумилев атындағы ЕҰУ
Ақпараттық технологиялар факультеті
Информатика кафедрасының профессоры
Ғылыми жетекші – Байтасова Панзанкүл
физика пәнінің мұғалімі
Астана қаласы, 2013 жыл
Abstract
The aim of the research project: making a car of the future “AlMobile”, managing with radio.
During the research process the following problems are considered:
a) Scientific:
- modeling of the automatic control system of fuel cell;
- defining the motion work principles of automobile;
b) Practical:
- figuring out chemical and electrochemical reactions inside of automobile;
- installing hardware of automobile;
- making breadboard circuit of automobile;
- testing of automobile and analyzing of testing results;
Hypothesis: Because of ecological state of our planet using of hydrogen energy will be very useful because, first, the car will not release carbon that polluting the environment and, secondly, the price of hydrogen will be less expensive than the price of gasoline.
Milestones:
I milestone. A theme formulation, the review of the scientific and popular literature, configuration, the analysis and generalization of materials under the theory.
II milestone. A practical part - Creation and testing of model of a automobile.
III milestone. Generalization of supervision results - processing of the collected materials, specification of the conclusions.
Research methods: Gathering, sorting of materials, grouping on sense, structure, methods of direct measurement, creation etc.
Novelty of research and independence degree: Hydrogen energy is a very useful energy of XXI century. Creation of inexpensive automobile with hydrogen energy is one of the most opportunities of developing infrastructure of our country.
Result and the work conclusion: During the work we have considered theoretical methods of the advantageous decision of fuel problems of a automobile, and have solved them in practice. In the purpose of realization of the project the breadboard model of the Kazakhstan automobile has been made. This breadboard model can become a basis of the future Kazakhstan automobile.
Branches of use of results:
- Thermal Power Stations
- automobile industry
- factories
- electronics.
Абстракт
Ғылыми жобаның мақсаты: радио арқылы басқарылатын «AlMobile» келешек автомобиль макетін жасау арқылы талантты жас зерттеушілердің ғылымға деген қызығушылығын арттыру.
Жұмыс барысында төмендегідей міндеттер қойылды:
а) ғылыми:
- автомобильдің өзіндік отын өндіру жүйесін модельдеу;
- автомобильдің қозғалыс құрылғысының жүру негіздемесін анықтау;
б) практикалық:
- автомобильде өтетін химиялық және электрохимиялық реакцияларды есептеу;
- автомобильдің құрылғыларын орнату;
- автомобильдің макет сұлбасын жасау;
- автомобильді жүргізу және өткізілген тәжірибелердің нәтижесін талдау.
Гипотезасы: Ғаламшарымыздың экологиялық жағдайына байланысты сутек энергиясына көшу пайдалы болмақшы. Себебі, біріншіден, автомобильден қоршаған ортаны ластайтын көміртек бөлінбейді, және, екіншіден, жанармай отынына қарағанда сутектің бағасы арзанырақ түседі.
Кезеңдері:
I кезең. Тақырыпты тұжырымдау, ғылыми және көпшілік әдебиеттерді зерделеу, теориялық жадығаттарды жинақтау, талдау, жалпылау.
II кезең. Тәжірибелік кезең – автомобиль моделін құрастыру.
III кезең. Бақылау нәтижелерін жалпылау – жинақталған мәліметтерді өңдеу, қорытындыларды нақтылау.
Зерттеу әдістері: ғалымдардың зерттеген еңбектерінен ақпарат жинау, талдау, құрылымы мен мағынасы жағынан топқа бөлу, есептеу, модельдеу, презентациялау және т.б.
Зерттеу жаңалығы және дербестік дәресжесі: XXI ғасырдың ең тиімді саналатын энергия көзі – сутек энергиясы; сутек отыны арқылы автомобильдің арзан түрін жасау – еліміздің инфрақұрылысын дамытушы мүмкіндіктердің бірі.
Жұмыстың нәтижесі мен қорытындысы: Автомобильдің отындық проблемалары ұтымды түрде теориялық және тәжірибе жүзінде шешілген. Қазақстандық келешек автомобильдің макеті жасалынды.
Нәтижелерді практикалық қолдану салалары:
Абстракт
Цель научного проекта: увеличить заинтересованность юных талантливых исследователей к науке с помощью создания модели радиоуправляемого автомобиля будущего “AlMobile”.
В ходе работы были поставлены следующие задачи:
а) научные:
б) практические:
Гипотеза: В связи с экологическим состоянием нашей планеты использование водородной энергии будет очень полезной потому, что, во-первых, с автомобиля не будут выделяться углероды, загрязняющие окружающую среду, и, во-вторых, цена водорода будет куда-более дешевле чем цена за бензин.
Этапы:
I этап. Формулирование темы, обзор научной и популярной литературы, компоновка, анализ и обобщение материалов по теории.
II этап. Практическая часть – Создание и тестирование модели автомобиля.
III этап. Обобщение результатов наблюдений – обработка собранных материалов, анализ заключений.
Методы исследования: Сбор, сортировка материалов из трудов ученых, группировка по смыслу, структуре, прямого измерения, создания и т.д.
Новизна исследования и степень независимости: Водородная энергия – это самая полезная энергия XXI века; создание дешевого автомобиля через водородное топливо – одна из возможностей для развития инфраструктуры страны.
Результат и заключение работы: В ходе работы было рассмотрено теоретические методы выигрышного решения топливных проблем автомобиля, и решено на практике. В цели реализации проекта был сделан макет казахстанского автомобиля.
Отрасли использования результатов:
Кіріспе
Егер Құдай бүкіл әлемді бір ғана сөзбен жасаса,
Сол бір ғана сөз «сутек» болар еді.
Харлоу Шепли (1885-1972)
Зерттеу тақырыбының өзектілігі: «Бізге елімізге қажетті технологиялар трансферті мен оларды қолдану үшін мамандарды оқыту керек. ЭКСПО-2017 бұл процеске серпін беріп, бізге болашақтың энергиясын дамыту үшін жаңа технологияларды таңдап алуға көмектесуі тиіс.» - деп, ҚР Президентінің «Қазақстан-2050» бағдарламасындағы сөзін басшылыққа ала отырып, ғаламды зерттеу ғылым әлемінің басты мәселелесінің бірі – таза әрі табиғи энергия көзін жетілдіру және де еліміздің инфрақұрылысына кіргізу мақсаттары қазіргі заманда өте өзекті.
Бүгінгі уақытта Жер шарының сарқылмас мол қоры – судың энергиясын күнделікті тұрмыста қолдану аясын кеңейту үшін әлемде зерттеу жұмыстары жүргізілуде.
Жұмыстың басты мақсаты: радио арқылы басқарылатын «AlMobile» келешек автомобиль макетін жасау. Ол Жеріміздің экологиясын таза сақтауға, бір жағынан жағымсыз газдарды шығармайтын, тек қана табиғи қалдықтарды өндіретін көлік ретінде қолдануға арналады.
Жұмыс барысында төмендегідей міндеттер қойылды:
а) ғылыми:
- автомобильдің өзіндік отын өндіру жүйесін модельдеу;
- автомобильдің қозғалыс құрылғысының жүру негіздемесін анықтау;
б) практикалық:
- автомобильде өтетін химиялық және электрохимиялық реакцияларды есептеу;
- автомобильдің құрылғыларын орнату;
- автомобильдің макет сұлбасын жасау;
- автомобильді жүргізу және өткізілген тәжірибелердің нәтижесін талдау.
в) оқу барысындағы:
- ықшамдалған автомобильдің үлгісін жасау кезінде практикалық машықтарға ие болу.
Жұмыстың зерттеу әдістері: Материалды жинау, саралау, құрылымдық мағыналық жағынан топтастыру, талдау, тікелей өлшеу, нақты модельдеу, презентациялау және т.б. Автомобильді жасауда әлемде жаңадан шығып жатқан сутекпен жүретін автомобильдердің үлгілері ұсынылады.
Жұмыстың болжамы: ғаламшарымыздың экологиялық жағдайына байланысты сутек энергиясына көшу пайдалы болмақшы. Себебі, біріншіден, сутек отынынан қоршаған ортаны ластайтын көміртек бөлінбейді, және, екіншіден, жанармай отынына қарағанда сутектің бағасы арзанырақ түседі.
Жұмыстың теориялық мәнділігі: сутек отынымен жүретін автомобиль әлемге аса маңызды. Қазақстанның автомобиль индустриясын дамытуда да сутек энергиясы өте қажет.
БҰҰ-ның ғалымдары бар мұнай резервтерінің 35-40 жыл немесе 50 жылда; табиғи газ резервтерінің 65 жылда; көмір резервтерінің 220 жылдан соң табылмайтынын болжайды. Осынашама қысқа уақыттың ішіде таусылатыны болжаманған осы энергетика көздерінің орнына жаңаларын қою үшін әлемнің барлық мемлекеттерінде ғалымдар бар күшімен істеуде.
Жалпы, бізді қоршаған ортаға апат әкелмейтін, қажет уақытта іске қосып пайдалануға жарайтын, бір жағынан бағасы арзан, екінші жағынан тиімділігі жоғары сутек энергия көзін үнемі зерттеу мемлекетіміздің ғылыми тұрғыдан бәсекелестікке қабілеттілігін көрсете түседі және халық шаруашылығын дамытуда өз септігін тигізеді деген зор үмітін береді.
Теориялық бөлім
1.1 Қазіргі заманғы сутек энергетикасының ұғымы
Қазіргі заманда жаңа сала өте маңызды болуда – сутегі энергетикасы және оны өндіру технологиясы.[1] Сутегі энергетикасы – энергетиканың дамып жатқан саласының бірі, адамзаттың транспорт өндірісінде шоғырландыру, тасымалдау және адамдардың қолдану аясындағы сутекті өндіру және іске жарату бағыты. Бүгінгі таңда сутегі Жер жүзіндегі ең көп таралған химиялық элемент болып саналады. Алуан түрлі, шексіз энергия көздерін қолдану арқылы сутекті өндіру - мұнай сынды саны шектелген, қауіпті энергия көздерінен тәуелділігімізді жоюға көп септігін тигізеді. Әлемдік деңгейдегі электр энергиясын өндіруде гидроэнергетиканың үлесі 18 пайызды құрайды. Қазақстанның біріккен энергетикалық жүйесінде гидро-электростанциялары өндіретін электр қуатының үлесі 11,89 пайыз ғана болып отыр. Жалпы, Қазақстанда жұмыс істеп тұрған ГЭС-тердің қуаты 2259,6 мВт, ал жылдық электр энергиясын өндіру қуаты 7,4 млрд кВт/сағ болып есептелінеді. Теоретикалық жағынан алғанда Қазақстанның гидроэнергетикалық қуаты жылына 170 млрд. кВт/сағ электр энергиясын өндіруге толық жетеді. Мұндай гидроэнергетикалық ресурстар негізінен еліміздің Шығыс және Оңтүстік-Шығыс аймақтарында шоғырланған. Оңтүстік Қазақстанда 10 млрд кВт/сағ электр энергиясын өндіретін су энергетикалық ресурстар болса, Батыс Қазақстанда 2,8 млрд кВт/сағ электр энергиясын өндіретін су көздері баршылық. Алдағы уақытта еліміздің Оңтүстік, Оңтүстік Шығыс және Шығыс аумақтарында кіші және орта ГЭС-терді дамытудың мүмкіндіктері мол.
Сутек химиялық реакциядан кейін бөлінетін жалғыз қалдықтар – таза әрі ішуге жарамды суды, электр энергиясы мен жылуды өндіретін отын элементтерінің жұмыс жасау күшін көп есе күшейтеді. Ғаламдық жылыну процессін күшейтпейтін көлік отыны ретінде сутек – мұнайды ауыстырушылардың бірі. Сутек энергиясын практикалық және қолға жетімді екенін дәлелдей отырып, үлкен масштабта жаңартылған энергия күшінен – сутек энергиясынан қос қышқылды көміртек (СО₂) газы ауаға бөлінбейтін болады.
Қазіргі уақытта өндірісте сутек кеңінен қолданылады және де оны өндіруде, сақтауда, тасымалдауда адамзаттың көп жылдар бойы жинаған тәжірибесі бар. Сутек отқауіпті, жарылғыш элемент ретінде саналғанмен де, өндіріс жағдайында ол қауіпсіздіктің өте үлкен көрсеткішіне ие.
Алайда, көмір, мұнай, табиғи газ, күн жарығы мен жел секілді сутек қол жетімді энергия көзі емес. Ол су және табиғи газ молекулаларымен тығыз байланысты болғандықтан, оны өндіру және тазарту өте қымбат әрі сырттан энергияны көп қажет етеді. Әсіресе, жаңартылған энергия көздерінен сутекті өндіру бағасы жағынан айрықша қымбат саналады.
Сутекті нығыздау, сақтау және тасымалдау да қиын әрі қымбат тұрады. Оның энергетикалық тығыздығы табиғи газбен салыстырғанда өте төмен. Сутекті қысу қымбат және сырттан энергия көзін молынан қажет етеді. Бұдан басқа, 1 галлон сұйық сутектің энергиясы 1 галлон жанармай энергиясының тек ¼ энергия күшін қамтиды. Сутегінің сақталымы жағынан маңызды мәселесі бар – ол қоймалжың диапазонында отқауіпті және сутек энергиясының жануы табиғи газ бен жанармайдың жануына қарағанда жиырма есе көп, осылайша, сутектің ағып кету және өртену қаупі бар. Қауіпті ағып кетуге ұшырайтын газдардың бірі бола отырып, сутек дүниежүзіндегі қатаң әрі үлкен кодтар мен стандарттардың жинақталуына арналған субъект болып табылады.
Миллиард жылдар бұрын сутектің негізі – бір электрон және бір протон – барлық атомдардың 92%-на жуығын құрастырды, сол уақытта қалған заттар гелий элементінен тұрды. Бүгінде 15 миллиард жыл кейін әлемдегі барлық бөлшектердің 90%-на жуығы сутектің атомдарынан тұрады, ал осы бөлшектердің 9% ғана гелий атомдарынан құралады.
Сутек барлық жерде бар. Американың физигі Джон Риджен дәлелдегендей, «сутек – барлық атомдар мен молекулардың бастауы.»[3]
Сутегінің тұңғыш ғылыми ашылуын көбінесе Парацельс лақап атымен танымал, Ренессанс дәуірінің физигы және алхимигы Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм есімімен байланыстырады. Ол қышқылдар металлдармен әрекеттескенде отқауіпті газ бөлінетініне тәжірибе өткізіп, ғылыми бақылау жүргізді. Ағылшын ғалымы Генри Кавендиш (1731-1810) 1766 жылы сутекті бөлек зат ретінде ашқаны үшін және оның түрлі қасиеттерін сипаттап жазғаны үшін марапаттауларға иеленді. Ол сутекті «жанатын ауа» деп атады және де сутек пен оттек реакциясынан су құраған ең бірінші химик болды. Ал француз ғалымы Антуан Лавуазье (1743-1794) 1793 жылы Кавендиштің еңбегін зерттей келе, өзінің тәжірибелерінде сутекті зерттеуді қайталады әрі бақылауларын ұлғайтты. Лавуазье ашқан элементін «су» және «құрау» деген екі сөзден тұратын гректің hydrogene сөзімен атады.
Сутектің абсолютті жанатындығы, сарқылмас қоры және қуаттылығы жайлы алғашқы ойлар 19-шы ғасыр әдеби жазушыларының туындыларында орын алды. Сәуегей жазушы Жюль Верн өзінің романдарында суды сарқылмас отын ретінде тұжырымдайтын кейіпкерлерді сипаттап жазды. «Жұмбақ арал» кітабындағы инженер Сайрус Смиттің айтуынша: «Су – келешектің көмірі».[4]
1.3 Сутекті өндіру тәсілдері
Сутек өндірісі – бастауын өткен ғасырлардан алатын коммерциялық жүйесі бар, өте үлкен, заманауи өнеркәсіп. Ғаламда сутек екі түрлі әдіспен өндіріледі. Біріншісі – нитроген мен сутекті қосу арқылы аммонийді (NH₃) синтездеу. Екіншісі – мұнай өңдейтін зауыттардағы мұнайды жоғарғы қысымда гидро-өңдеу немесе гидро-тазалау. Бұл процессте ауыр дымқыл мұнай транспорт отынына айналу немесе өңделген жанармайды тазарту жұмыстары жүргізіледі.
Жаһандық жылдық өндіру шамамен 45 миллиард килограмм немесе нормадағы 500 миллиард м³ (норма: 1 атм. қысым мен 0ºС-дағы кубтық метр) құрайды. Сутекті төменде талқыланатын дәстүрлі отын түрлерінен әр түрлі процесстер арқылы өндіреді[5]:
|
Шығу тегі |
Саны (млд. Нм³/г) |
Пайызы ( %) |
|
Табиғи газ |
240 |
48 |
|
Мұнай |
150 |
30 |
|
Көмір |
90 |
18 |
|
Электролиз |
20 |
4 |
|
Жалпы |
500 |
100 |
Табиға газ (метан, СН₄) – бүгінгі күндегі сутектің ең көп таралған қоры[6]. Метан әлемнің жартысынан жуық және АҚШ-тың 90 пайыз сутек мөлшерін өндіреді[7]. Метаннан сутекті бөлу процессі өзі екі процесстен тұратын метанның бу конверсиясы деп аталады. Бірінші процессте (әдетте никельмен) катализаторлармен толтырылған, жоғарғы қысым (15-тен 25 атм. қысым) мен жоғарғы температурадағы (750ºС-1000ºС) құбырлардың ішінде табиғи газ (метан) су буымен (Н₂О) реакцияға түсіп, көміртек моноксиді (СО) мен сутек құрайды:
СН₄ + Н₂О → СО + 3Н₂
Су-газ конверсиясы деп аталатын екінші реакцияда СО су буымен әрекеттесіп, СО₂ және сутек жасайды:
СО + Н₂О → СО₂ + Н₂
Бұл реакция 200ºС-тан 475ºС-қа дейінгі температурада бір немесе екі кезеңде жүзеге асады.
Реактордан ұшып шыққан газ түтіндерінде СО₂, СН₄, су буы мен СО-дан басқа шамамен 70-тен 80%-ға дейін сутек болады. Кейін сутек түпкілікті тұтынуы үшін әр текті, араласқан газдардан бөлініп шығарылады. Сутекті толық тазарту үшін әдетте адсорбция қысымын пайдаланады.
Сурет 1. Адсорбционды генераторлар газ буын гидро-тазарту кезінде қолданылады
СО₂ қалдықтары дағдыда атмосфераға шығарылады. Жаһандық жылудың күшеуіне және экологиялық жағдайларға байланысты метанның бу конверсиясы және адсорбция процесстері біздің қоршаған ортамызға өте зиянды болып келеді.
:
Метан
Күкірт арқылы тазарту
Бу
Бу конверсиясы
CH₄ + H₂O → CO + 3H₂
температура 880ºС
Бу
CO₂ + H₂O → CO₂ + H₂
СО СО СН₄
Бөліну және тазарту
Н₂ сығу
Кеңейту немесе сақтау
Сурет 2. Метанның бу конверсиясы
Бұл екеуі өндірістегі дамыған коммерциялық процесстер болып саналады. Метанның бу конверсиясы үшін энерго-өнімділік (өндірілген сутек энергиясының берілген отын энергиясына қатысты арасалмағы) шамамен 70%-ды құрайлы.
Су – бұл сутек өндіруде кеңінен қолданылатын ресурс. Суды сутек пен оттекке бөлу үшін сырттан электрэнергиясын қажет ететін элекролиз процессі – қоспасыз таза сутекті өндіру үшін қолданылатын дүниежүзінін дамыған технологиясы.
Сурет 3. Электролизёр — судан сутегі өндіретін қондырғы
Сурет 4. Күннен энергия өндіретін фотоэлектрикалық қондырғылар
Көмір де – сутегі өндірісінде басты қорлардың бірі. Сутекті өндіру үшін әуелі көмірді газ түріне келтіреді, бөгде заттардан тазартады, сосын ғана одан сутек газын бөлу процессін жүргізеді. Бұл процессте СО₂ газының ауаға таралуы аумақты түрде өтеді, сондықтан, жаһандық жылыну проблемасына байланысты, көмірді заманауи газ түріне айналдыру технологиясы сутек экономикасының негізі бола алмайды. Көмір әлемнің көп елдерінде ең жеткілікті пайдалы қазба ретінде саналады. Мысалы, Қазақстанда көмірдің жалпы қоры 162 млрд тоннадан асады[8].
Биомассалар – сутекті өндірудегі маңызды қорлардың бірі. Биомассалар – өсу айналымына қатысқан әр түрлі материалдар, мысалы: тамақтың, ағаштардың, агромәдениеттің қалдықтары. Энергия егісі ретінде өсірілген өсімдіктер де биомасса құрамына кіреді. Биомассалар да жаһандық жылымықтың күшеюіне әсер тигізетін қаупі бар, себебі, егер биомассалар өртенсе, олардан көмірқышқыл газы бөліне бастайды. Алайда, кейін зиянды газ қайтіп биомассалардың бойына сіңеді, яғни өсу айналымына қатынасады. Сол себепті, биомассалар планетаның жылуына ешбір әсер етпейтін потенциалды шыдамды энергия көздері болып табылады. Биомассаны этанол секілді сұйық отынға айналдырып, жанармай қоспасы ретінде қолдануға болады. Қазіргі заманда жүгері дәндерінен жасалған био-отын – этанол - әлемдегі басты экологиялық таза отын түрі болып есептеледі. Этил спирті, этанол, С2Н5ОН – біратомды қаныққан-алифатты спирт, түссіз, күйдіргіш дәмі және өзіндік исі бар оңай қозғалатын сұйықтық[17]. Келешекте жүгеріден басқа, өсуге және егісті жинап алуға сырттан азғантай энергия көзін қажет ететін тары дәндерінен этанол өндіру жұмыстары көп үміт күттіреді.
Сурет 5. Жүгеріден отын өндіру
Биоэтанолды 2005 жылы 36,3 млрд литр, оның 45% Бразилия және 44,7% АҚШ елдерінде ғана өндірді. Биоэтанолды Бразилияда үлкен көлемде қант таяқшаларынан, ал АҚШ-та жүгеріден жасайды. Этанол бензинге қарағанда аз энергия сақтау көзі болып табылады. 85% этанол мен 15% бензин қоспасында жұмыс істеген машинаның жүрісі стандартты машина жүрісінің көлемдік отынның бірлігіне шамамен 75% құрайды. Ал тек таза этанолда тек «Flex-Fuel» машиналар («жұмсақ отынды» машина) ғана жұмыс істей алады. Бразилия отын ретінде биоэтанол мен қант таяқшаларын өндіру мен қолдануда көш бастап тұр. Қозғалтқышта этанолды жаққанда одан альдегидтер (формальдегид және ацетальдегид) пайда болады. Ал бұлар өз кезегінде ароматты көмірсутекерге қарағанда тірі организмдерге екі есе көп зиянды заттар шығарады.
“AlMobile” автомобилін жасау барысында алдымен автомобиль ішінде өтетін сутек өндірісі кезіндегі химиялық және электрохимиялық реакцияларды есептеу, өндірілген сутекті тазарту үшін фильтр жүйесін жасау және құрылғының отын элементі жүйесін сипаттау мәселелерін шешуді қажет ететін, негізгі техникалық мәселелерге назар аудару қажет.
Радио байланыс арқылы басқарылатын “AlMobile” келешек автомобилі алюминий қалдықтары мен судан нәр алады және кәдімгі натрий гидрооксидін катализатор ретінде қолданады.
Алюминий қалдықтары (біздің жағдайда, шөліңді қандыратын сусынның сыртқы құты) натрий гидроксиді ерітілген суы бар ыдысқа орналастырылады.
Алюминий жеңіл металлдар тобына жатады. Ол әлемде кеңінен таралған металл әрі жер қыртысындағы оттек пен кремнийден кейін үшінші орында тұрған химиялық элемент. Тұңғыш рет алюминийді 1825 жылы дат ғалымы Ганс Эрстед сынаптың кейінгі қайнатып алуынан калий амальгамының алюминий хлоридімен әсері кезінде ашты. Элемент атауы латынның aluminis – «ашытқы» сөзінен шықты. Алюминийдің оттекпен өте берік химиялық байланысы бар. [10]
Алюминий – жеңіл және иілімді ақ түсті металл, жұқа оксид қабатына байланысты күңгірт күміс түсті болып келеді. Ол химиялық элементтердің периодтық жүйесінде III- топқа кіреды, Al белгісімен белгіленеді, атомдық нөмірі 13-ке және атомдық массасы 26,98154-ке тең. Балқу температурасы 660ºС. Алюминий әлемде кеңінен таралған: осы параметрі жағынан ол бүкіл элементтердің ішінен 4-ші орынға, ал металлдардың ішінен 1-ші орынға (жер қыртысының 8,8% массасына) ие, бірақ таза күйінде ешбір кездеспейді. Оны әдетте бокситтерден өндіреді және алюминий минералдарының (алюмиосиликаттар, алуниттер, т.б.) 100 түрі белгілі, олардың көбісі алюминий өндіруге жарамсыз болып келеді.
Қолданысының кең шоғырына арқау боларлық алюминийдің керемет қасиеттері бар. Өндірістің түрлі салаларында қолданылуы жағынан алюминий тек темірден ғана қалыс қалады. Қақтауға төзімді әрі иілімді алюминий түрлі формаларды қабылдай алады. Оның оксид қабаты коррозияға қарсы беріктігін ұлғайтады, сондықтан оның қолданылу мерзімі өте ұзақ уақытты қамтуы мүмкін. Бұдан басқа, алюминийдің жетістіктеріне оның жоғары ток өткізу қабілеті, улағыш емес қасиеті және қайта жасап шығару жағынан жеңілдігі жатады.
Сурет 6. Таза күйінде өндірілген алюминий
Алюминийдің қасиеттері оның әлем экономикасында жеңіл металл ретіндегі маңызын ұлғайтады. Ол - автомобиль, жүйрік пойыздардың вагондарын, кемелерді жасауда өте қажетті материал. Қазіргі заман құрылысында алюминийден жасалған құрылыс өнімдері қолданылады. Алюминий электр тогын өткізетін жоғарғы вольтты сымдарда толықтай дерлік мыстың орнын басты. Әр жыл сайын сатылатын тамақ жасауға қажетті ыдыс-аяқтардың жартысынан жуығы алюминийден жасалады. Дүкендерде сатылатын шөліңді қандыратын сусынның сыртқы құтын және қаптама қағазды (фольга) алюминийден басқа басқа металлдан жасалған түрін елестету қазіргі уақытта мүмкін емес. 2007 жылы әлемде әуелгі алюминийдің 38 млн т, ал 2008 жылы 39,7 млн т шығарылды. [11]
Алюминий – белсенді металл, бірақ сыртқы оксид қабатына байланысты оның сыртқы беті сумен әрекеттеспейді және қышқылданбайды. Алайда, оның сыртқы оксид қабатын алып тастасақ, алюминий белсенді түрде сумен әрекеттеседі.
Натрий гидроксиді (лат. Natrii hydroxidum; басқаша атаулары – күйдіргіш сода, каустик, күйдіргіш натр, күйдіргіш сілті) – ең көп таралған сілті, химиялық формуласы NaOH. Жыл сайын әлемде 57 тоннадан көп күйдіргіш натрий өндіріледі және қолданылады. Натрий тотығының гидраты NaOH – ақ түсті қатты зат. Егер күйдіргіш натрдың бір бөлігін ауада қалдырып кетсек, көп ұзамай ол сыртқа жайылып кетеді, себебі, ол ауаның барлық ылғалын өзінің бойына сіңіріп алады. Күйдіргіш натр суда жақсы ериді, әсіресе еру кезінде сыртқа көп мөлшерде жылу бөледі. Күйдіргіш натрдың ерітіндісі жақсы көпіреді.[12] Бұл біздің автомобильге қажетті қасиеттің бірі, себебі, су мен алюминий арасындағы химиялық әрекеттесуді бастау үшін натрий гидроксидінің жылу бөлу және көпіргіш қасиеті өте маңызды.
Сурет 7. Алюминий құтылары және натрий гидрооксиді
Натрий гидроксиді алюминиймен реакцияға түседі. Ол темір және мыспен (электрохимиялық потенциалы өте төмен металлдармен) әрекеттеспейді. Алюминий күйдіргіш сілтінің құрамында натрий тетрагидроксиалюминаты және сутек өндіру арқылы жеңіл ериді:
2Al0 + 2NaOH + 6H2O → 3H2↑ + 2Na[Al(OH)4]
2Al0 + 2Na+ + 8OH− + 6H+ → 3H2↑ + 2Na+[Al3+(OH)−4]− [13]
Біздің автомобильде алюминий мен судағы натрий гидроксидінің ерітіндісінде реакция жүреді:
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2
Алюминий қалдықтары еріген натрий гидроксидімен әрекетке түскенде, сутек, кейін қайта қолданыла алатын натрий тетрагидрооксиалюминатын өндіреді. Бұл химиялық реакция алюминийдің өмір сүру кезеңін аяқтайды. 3 килограмм сусынның құтысы автомобильдің 1 сағатта жүру қуатына жетеді.
Әрі қарай бөлінген водород тазарту (фильтрация) жүйесіне өтеді. Ол екі кезеңді тазартудан тұрады. Тазартудың бірінші кезеңінде сірке қышқылы пайдаланылады. Сутек гидроксид қалдығын ұстап қалатын су мен сірке қышқылынан, тікелей тазартудан өтеді.
6 Сурет. Сірке қышқылы (этан қышқылы) - CH3COOH формуладағы органикалық зат
Гидроксидтен тазарған сутегі тазартудың екінші кезеңіне келіп түседі. Екінші тазартуда газдан барлық ылғалды жоятын силикагель шариктары себіледі.
Силикагель өзімен pH > 5—6 кезіндегі кремнийлі қышқылдардың (nSiO2·mH2O) көп ерітіндісінен құрылатын кепкен гель болып табылады.
7 сурет. Силикагель көмірқышқылды газды, сутекті, оттекті, азотты, хлорды және басқа да өнеркәсіптік газдарды кептіруге пайдаланады.
Толықтай тазартылған, таза сутекті газ әрі қарай автомобильдің отын жүйесінің ортадағы басты жағы – отын элементіне келіп түседі. Отын элементі сутек секілді отын және оттегі секілді сілтілену аралығындағы химиялық реакцияның қуатын тікелей электр қуаты мен жылуға айналдырады. 1830 жылдың аяғында Лондонда Сэр Вильям Грув (1811-1896) оттек пен сутекті қосу көмегімен электр энергиясын өндіруге арналған электролиз процесін қалай өзгертуді есептеп шығарды. Кейінірек Грув әлемдегі ең алғашқы отын элементін құрастырды және оны «газтәріздес гальваникалық батарея» немесе газды батарея деп атады. Ол платина электрородын сутек пен оттек арасында реакцияның катализдануы үшін пайдаланды. 2003 жылы, 160 жыл кейінірек және 15 млрд доллардағы көпшілік және жеке шығындарынан кейін бір ғана маңызды коммерциялық сатылу бар отын элементі болды. Көптеген себептермен отын элементін өзіне сутек пен оттекті қабылдайтын және өзінен тек қана су, электр және жылуды бөлетін «қара жәшік» ретінде санауға болады.
Отын элементтері үлкен шығындармен жүретін, тиімділігі аз процесті болдырмай, отынның химиялық энергиясының электр энергиясына айналуын іске асырады. Осындай электрохимиялық құрылғы отынның жоғары тиімділікті «суық» жануы нәтижесінде тікелей электрқуатын өңдеп шығарады. [15]
8 сурет. Тікелей метанолды отын элементі
Жұмыс кезінде отын элементі қызбайды. Реакция кезінде босатылатын қуат тікелей электр энергиясына айналады. Отын элементінде химиялық энергияның жылуға қайта айналуы болмайтындықтан, оның ПӘК-і Карно ережесімен шектелмейді және нақты реакциядан тәуелділікте оның ПӘК-і 100%, тіпті көбірек те болуы мүмкін. Бүгінде Грув аппараты – бұл жұқа (1-3 мм) тік бұрышты қорапша, мұнда екі электрод және қоймалжыңды сілті – электролит бар.
9 сурет. Отын элементінің ішкі түрі.
Анод және катод – бұл бүйір қабырғалары, бұларға сәйкесінше оттек пен сутек жіберіледі. Электродтар газ бен электролиттың байланысуын қамтамасыз етеді. Зарядтың тасымалдануы үш фазаларда – электрод, газ және электролиттің шегінде жүреді: электрон сутектен көмір бөлшегіне өтеді, ал сутектің молекуласы гидроксидтың молекуласымен әсер ететін протондарға бөлінеді:
2Н2 + 4ОН– → 4Н2О + 4 е–.
Әрі қарай электрондар бұрыштың бір бөлшегінен екіншісіне, ток жинақтаушыға қарай қозғалады, одан – ішкі тізбекке және әрі қарай – катодқа және тікелей оттек молекуласына қарай қозғалады. Электрондар ионға айналады, судың әрбір қос молекуласынан бір протонды алып отырып, гидроксидтың радикалын құрайды:
O2 +2Н2О +4 е– → 4OН–.
Отын элементінде қозғалғыш бөліктердің болмауы, ПӘК-тің жоғары пайыздарға (термодинамикалық - 83%, барлық элементтің - 70% жуық) иеленуі оның басымдылығын танытады.
Бірақ отынның қышқылдану (іштей жану) реакциясы бөлме температурасы кезінде өте жай жүреді – қоспа молекулаларының елеулі әрекеттесуі үшін жүздеген жылдар керек. Отын элементі үшін бұл өте төменгі меншікті қуатқа әкеліп соқтырады және оның көлемі өте үлкен өлшемде болуы керек.
Катодты және анодты реакцияны жеделдету қажет. Бұл үшін катализаторды қолдануға немесе ұяшық температурасын жоғарылатуға болады. Сілтілі электролитті оттегілі-сутекті отын элементі жағдайында жақсы катализаторды іріктеу мүмкін болып шықты; қос электродтар үшін ең тәуір катализатор – платина болып есептелінеді. Платинаның жұқа қабатымен электродтардың сыртқы бетін жабады. Осындай отын элементтерінің табысты болғаны соншалықты, бұларды өткен ғасырдың 60 жылдары Айға сапар шегуде энергиямен жабдықтау үшін пайдаланған. Айға сапар шегу үшін осындай отын элементтерін шығарған атақты философ және мемлекеттік қайраткері Фрэнсис Бэконның тікелей ұрпағы сэр Фрэнсис Т. Бэкон болды.
Сурет 10. Протон ауыспалы мембранасы (ПАМ) бар сутекті-оттекті отын элементінің тәсімі (батарея)
Қазірде «электролит» ретінде жұқа қабықша – полимерлы электролитты мембрана (ПЭМ) пайдалынады. Ол поливалентты қышқылдың үлкен молекуларынан тұрады. Оларда бүйірінен орналасқан көміртекті қаңқалы тізбекке қарай қышқыл қалдығының топтары [–SO3] бекітілген, ал протондар полимер бойынша еркін қозғалады. Заманауи отын элементі екі жақтарынан анодты және катодты катализаторлармен жабылған жұқа қабықшалардан (50 мкмден 250 мкм дейін) тұрады, катализатор қабаттарына қарай пластиналар – белгілі бір газ өткізгіш бұдырлы электр энергиясын жақсы өткізетін материалдан жасалған ток ажыратқыштар жабысқан. Пластиналарға каналдары бар науалар жабыстырылған, бұлар бойынша катод және анодқа оттек пен сутекті өткізіледі. Әдетте ең жоғарғы қуатты беру режимінде отын элементіндегі кернеу 0,5-0,6 В құрайды.
Сурет 11. Оттекті-сутекті отын элементі (әрекет ету әдісі)
Оттекті және сутекті отын элементі өндірісте және пайдалануда өте қымбат болып шықты. Отын элементінің қымбатшылығын арзан емес және өндірілу технологиясы күрделі келетін платина мен полимерлы электролитті қолдану шарттайды.
Бірақ ең жаманы басқада: пайдалану құны сутектің қымбатшылығынан тәуелді келеді және де отын элементі тек қана өте таза сутекті тұтынуға пейілді келеді – қоспалар, әсіресе иісті газ, платиналы катализаторды уландырады.
Сурет 12. Лондон қаласында сутекті отын элементінен қуат алатын Mercedes Benz Citaro автобустары пайдалануға берілді
Сурет 13. Honda FCX (Fuel Cell eXperimental) - Honda компаниясының сутекті отын элементінде қуат алатын күш қондырғылы автомобилі
Проблемаларды шешу үшін жасап шығарушылар электролит ретінде 100% -ды фосфорлы қышқылды қолданды және элемент температурасын 150-200 ºС-қа дейін көтерді. Бұл қатысты сәттілікке әкелді – 1-2% иісті газдан тұратын, тазартылмаған сутекті қолдану мүмкін болды. Қазіргі кезде 5 кВт-тен 200 кВт-қа дейінгі қуаттылығы бар осындай құрылғының бірнеше ұяшықтары жұмыс істейді. Фосфорқышқылды отын элементі сілтілі отын элементіне қарағанда арзанрақ келеді, бірақ соншалықты тиімді емес (бар-жоғы 40-50% ПӘК) және бағасы әлі де өте қымбат – 500 долл/кВт жуық. Жоғарғы температура кезінде жұмыс істеуі оны көшірмелі электрониканың қуат алуы үшін жарамсыз етеді, ал қосу алдында қажетті температураға қыздыру қажеттілігі транспортта қолдануды шектейді.
Бұдан да жоғары температура кезінде (800–1000°С) қатты оксидты электролиты бар отын элементі жұмыс істейді. Бұндай отын элементінде катализатор болмайды, элемент нитрий және цирконий тотықтары қоспаларының жұқа қабатынан – бос жерлерінде оттегі иондарының жоғарғы қозғалыста болатын қатты оксидты электролиттен тұрады; электролиттың екі жағынан да торлар – ток ажыратқыштар орналасады. Анод жағында отын тордың О2– иондарымен реакцияланады, электрондарды ішкі тізбекке бере және реакциялану өнімдерін құрай отырып, құрылған оттекті бос жерлер катодқа қарай электролит қабатымен қозғалады, ал электрондар – сыртқы тізбек бойынша электр тогын құрай отырып қозғалады. Катодта оттек элекрондарды қосады және құрылған О2– иондар катодқа жақын келген оттекті бос жерлерді толтырады. Осындай отын элементі 50%-дан астам ПӘК-пен иеленеді, платиналары болмайды, ал ол үшін отын ретінде сутек қана емес, сондай-ақ табиғи газ, тіпті дизель отыны да қызмет ете алады. Алайда қымбат әрі құрастырымдық материалдарды және көмекші агрегаттардың қолданылуын қажет ететін жоғары температуралы зонаның пайда болуы проблема туғызады. Мұндай отын элементтерінің жұмыс істеу мерзімі әзірше өте ұзақ емес. Ертілген карбонаты бар отын элементтері секілді қатты оксидті электролиті бар отын элементінің көлемі үлкен тұрақты қондырғыларда қолданылуы өте ыңғайлы келеді.
«AlMobile» келешек автомобилінің қозғалысы мен құрылысы осындай болып келеді. Автомобильдің атауы екі сөзден «Al» - «алюминий» және «Mobile» - «қозғалмалы» сөздерінен құрылған. Автомобильдің басты құрамдас бөлігі алюминий қалдықтары болып табылады. Жаңа автомобиль тек қана таза негізде, қоршаған ортаны ластайтын ешбір қоспаларсыз жұмыс істейді.
Алюминий оксидінен басқа автомобиль жұмысынан кейін тек бір ғана қалдық – сірке суы бар фильтрдегі қалдық қана қалады. Ол – натрий ацетаты CH3COONa. Натрий ацетаты – сірке қышқылының натрий тұзы, өндіріс масштабында өндіріледі және қолданылады. Натрий ацетаты тоқыма өнеркәсібінде, ағын суларда пайдаланылған күкірт қышқылын жоюда және фоторезист ретінде анилинді бояуларды қолданғанда қажет. Бұдан басқа натрий ацетаты E262 тағамдық қосымшасы ретінде және консервант ретінде қолданылады[16]. Оны, мысалы, чипстердің құрамында кездестіруге болады.
2.2 Автомобильді басқару құрылғылары
Автомобиль радиобайланыс арқылы басқарылады. Модельдің қозғалысын басты үш құраушы іске асырады:
Таратушының құрамында модулятор, жоғары жиілікті генератор бар. Модулятор төмен жиілікті тразисторлардан жиналған. Модулятор транзисторы ашылғанда, +аккумулятор батареясына қатысты генератор тізбегінің электр тұйықталуы өтеді. Генератор жұмыстық жиілікте албыртады, антенна сигналды таратады.
Қабылдаушыда үш құраушы бар:
Жоғарғы жиіліктің каскады дегеніміз – жоғарғы жиілікті транзисторы бар асқын генераторлар.
Таратушы жіберген сигнал күшейе түседі де, асқын генератор оны түзейді.
Басқару сигналы кернеуінің төмен жиілігі транзистор арқылы күшейтіледі, содан кейін конденсатор арқылы түзейтін ұяшыққа жіберіледі. Әрі қарай түзетілген кернеу транзисторға резистор арқылы барады. Эмиттерлі ток жылдам ұзарады, осы мезетте транзистор ашылады. Реле қозғалысқа келтіріледі де, қозғалтқыштың тұтыну тізбегі тұйықталады.
Қорытынды
Автомобильдің отындық проблемалары ұтымды түрде теориялық және тәжірибе жүзінде шешілді. Жасау барысындағы тәжірибені, ғылыми әзірлемелерді, тәжірибелік сынақтар нәтижелерін қазақстандық автомобильдің жасалуының пайдаға асқан алғышарты ретінде қарастыруға болады.
Істелінген жұмыстың негізгі мәні: Қазақстанның жасыл экономикасын дамытуға арналған құрылғының негізгі функцияларын қамтитын, кішірейтілген модель арқылы Қазақстанда мектеп автомобилінің іс жүзіндегі макеті жасалды.
Марсоходтың басқару жүйесіне осы заманға сай, озық ақпараттық технологияларға сәйкес программалы логиқалық интегралды сұлба пайдаланылды. Микроконтроллер программасын бірнеше мәрте ауыстыру мүмкіншілігі марсоход макетінің көп функционалдылығын жүзеге асырып, халық шаруашылығына экономикалық пайда әкеледі. Автомобиль қызметін мынадай салаларда: гидроэлектростанцияларда (ГЭС); Жылу Электр станцияларда (ЖЭС); автомобиль өнідірісінде; зауыт жән фабрикаларда қолдануға болады..
Жобаны жасау барысында автомобиль құрылысынан және сутек энергетикасынан іс жүзінде зор тәжірибе алынды.
Қолданылған әдебиеттер тізімі:
Мазмұны
Abstract ……………………………………………..............................2
Абстракт (қазақ тілінде)……....…………………..............................4
Абстракт (на русском языке)..............................................................6
Кіріспе......................................................................................................7
Теориялық бөлім.....................................................................................9
2.1 Автомобиль құрылысы және оның отын жүйесі.................…......17
2.2 Автомобильді басқару құрфлғфлары…………………....….…….26
Қорытынды……………………………………………………….……..27
Қолданылған әдебиеттер тізімі..................…………………...……….29
Мазмұны………………………………………………………......……..30
Қосымша.......…………………………………………………………….31