Читать книгу Все науки. №1, 2023. Международный научный журнал - Ибратжон Хатамович Алиев - Страница 3

УДК 620.191

Кулдашов Оббозжон Хокимович

Доктор технических наук, профессор Научно-исследовательского института «Физики полупроводников и микроэлектроники» при Национальном Университете Узбекистана
Бекчанов Улугбек Кузибай угли
Магистр 2 курса кафедры «Физики полупроводников и полимеров» физического факультета Национального Университета Узбекистана имени Мирзо Улугбека

Научно-исследовательский институт «Физики полупроводников и микроэлектроники» при Национальном университете Узбекистана

Аннотация. В статье рассматриваются принципы построения оптоэлектронного устройства для контроля концентрации CO2 газов. Определены интенсивные линии поглощения CO₂ газов. В оптоэлектронном устройстве использованы в качестве излучающего диода на опорной длине волне светодиоды на основе GaAlAsSb/GaInAsSb/ GaAlAsSb (3.12 мкм), а излучающего диода на измерительной длине волны светодиоды на основе GaAlAsSb/GaInAsSb/GaAlAsSb (3.39 мкм).

Ключевые слова: газоанализатор, углекислые газы, контроль, блок схема, временные диаграммы.

Annotation. The article discusses the principles of constructing an optoelectronic device for monitoring the concentration of CO2 gases. Intense absorption lines of CO2 gases have been determined. The optoelectronic device uses LEDs based on GaAlAsSb/GaInAsSb/GaAlAsSb (3.12 microns) as the emitting diode at the reference wavelength, and LEDs based on GaAlAsSb/GaInAsSb/GaAlAsSb (3.39 microns) as the emitting diode at the measuring wavelength.

Keywords: gas analyzer, carbon dioxide, control, flowchart, time diagrams.

В последние годы все большее внимание привлекают проблемы использования чистых нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) для нужд энергоснабжения различных сельскохозяйственных и промышленных объектов. Актуальность и перспективность данного направления энергетики обусловлена двумя основными факторами: катастрофически тяжелым положением экологии и необходимостью поиска новых видов энергии.

Достигнутые успехи в создании ветровых, солнечных и ряда других типов нетрадиционных энергоустановок широко освещены в различных работах, в последнее время большое внимания уделяется геотермальной энергетики. Перспективы использования энергии тепла Земли поистине безграничны, поскольку под поверхностью нашей планеты, являющейся, гигантским естественным энергетическим котлом, сосредоточены огромнейшие резервы тепла и энергии.

На сегодняшний день в Узбекистане активно развивается геотермальная энергетика. На территории Узбекистана прогнозные геотермальные ресурсы на доступных глубинах (до 5—6 км) в 4—6 раз превышают ресурсы углеводородов. Главными потребителями геотермальные ресурсы на ближайшую и отдаленную перспективу в Узбекистане, несомненно, будут теплоснабжение и, в значительно меньшей мере, выработка электроэнергии.

По абсолютному значению из всех видов возобновляемой энергии наибольшим интегральным энергетическим потенциалом располагают недра Узбекистана в виде тепла сухих горных пород (петротермальные ресурсы) и крупных бассейнов с гидротермальными водами.

Геотермальные воды имеются во всех регионах Узбекистана. Многолетние изыскания позволили выявит на его территории 8 крупных бассейнов с гидротермальными ресурсами. Валовый потенциал геотермальных вод оценивается в 171 тыс. т.н. э. Однако технический потенциал геотермальных источников пока не определен. Наибольшим потенциалом геотермальных вод обладают Ферганская долина и Бухарский вилоят. Средняя температура геотермальных вод по республике составляет 45,5 °С, наиболее теплые воды в Бухарском (56 °С) и Сырдарьинском (50 °С) вилоятах. Следует отметить, что практическая реализация энергии геотермальных вод связана с разработкой соответствующих природоохранных мероприятий, обусловленных их химическим составом. В стране также выявлены петротермальные энергоресурсы в виде сухих горных пород с температурой от 45 до 300 °С. Реализация потенциала петротермальной энергии (тепло сухих пород, гранитоидов) может быть осуществлена с помощью электростанций на низкокипящих рабочих телах с мощностью блока 40 МВт на базе Чустско-Адрасмановской петротермальной аномалии в Ферганской долины [1].

Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года [2—3]. Геотермальная энергия своим «проектированием» обязана раскаленному центральному ядру Земли, с громадным запасом тепловой энергии. Только в верхнем трехкилометровом слое Земли запасено количество тепловой энергии, эквивалентное энергии примерно 300 млрд. т угля [4].

На рис.1. представлена диаграмма использования геотермальных ресурсов.

Рис.1. Диаграмма использования геотермальных ресурсов

Геотермальная энергия широко и с успехом используется в самых разных отраслях народного хозяйства. Существуют очень широкие перспективы для расширения сферы его применения:

– теплоснабжение (отопление и горячее водоснабжение) гражданских и промышленных зданий и сооружений;

– теплоснабжение сельскохозяйственных объектов (теплиц и парников как круглогодичного, так и сезонного времени действия, рыборазводные водоемы, птичьи фермы и пр.);

– удовлетворение в тепле технологических процессов промышленных предприятий (сушка древесины для мебельного производства, ферментация чайного листа и пр.);

– удовлетворение коммунально-бытовых нужд населения (бани, плавательные бассейны, прачечные и пр.);

– бальнеологические цели; производство электроэнергии.

Геотермальные ресурсы имеют несколько составляющих: их можно рассматривать одновременно как источник электрической и тепловой энергии и как источник ценных химических соединений: аморфный кремнезем, B, Li, Zn, Mn, HS, NaCl, геотермальные газы H₂S, CO₂.

Данные по химическому составу геотермальных ресурсов показывают наличие в них геотермальных газов (H₂S, CO₂) [4], контроль концентрации которых значительно облегчает их освоения и поиск новых источников минерального сырья.

Как известно в диапазоне 1,7—4,8 мкм находятся интенсивные линии поглощения геотермальных газов CO₂. Развитие оптоэлектроники и её элементной базы, создание новых высокоэффективных полупроводниковых источников излучения создают предпосылки для разработки высокочувствительных и точных, надежных приборов для контроля концентрации геотермальных газов (H₂S, CO₂).

В данной работе предложено устройство для контроля концентрации геотермальных газов.

Блок схема оптоэлектронного устройства для контроля концентрации геотермальных газов приведено на рис.1, а на рис.2 приведены её временные диаграммы.

Устройство для контроля геотермальных газов содержит источник питания 1, генератор прямоугольных импульсов с двумя противофазными выходами 2, к одному выходу которого подключен делитель частоты 3 (последовательный счетчик), выход которого через одновибратор 4 соединен с управляющим входом модулятора 5 экспоненты, эмиттерный повторитель 6, два электронных ключа 7 и 8, излучающие диоды рабочий 9 и опорный 10, излучающие на опорной и рабочей длинах волн соответственно, газовую камеру 11, фотоприемник 12,соединенный с первым дифференцирующим устройством 13, выход которого через пороговое входом схемы совпадений 15, первый вход которой подключен к выходу второго дифференцирующего устройства 16, вход которого соединен с излучающим диодом 10, счетчик 17, счетный вход которого соединен с выходом схемы совпадений 15, а его вход «установка нуля» соединен с выходом одновибратора 4.

Газовую камеру 11 облучают двумя потоками излучения Ф_0l1 и Ф_0l2 на опорной l₁ и рабочей l₂ длинах волн соответственно. Прошедшие через газовую камеру потоки излучения будут равны соответственно:

(1)

где: Ф_0l1 и Ф_0l1 – подающие на газовую камеру потоки излучения на длинах волн l₁ и l₁ соответственно, Ф_l1, Ф_l2 – потоки излучения после прохождения через после прохождения через газовую камеру на длинах волн l₁ и l₂ соответственно,

N₁ – концентрация смеси газообразных веществ,

L – длина оптического пути, т.е. длина газовой камера,

N₂ – концентрация определяемого газообразного вещества,

К₁ – коэффициент рассеяния смеси газообразных веществ,

К₂ – коэффициент поглощения определяемых газообразных веществ.

Поток Ф_0l1 изменяется во времени (t) по экспоненциальному закону

(2)

где А – постоянный коэффициент, соответствующий начальному значению амплитуды экспоненциального импульса.

В момент равенства потоков Ф_l1 и Ф_l2

(3)

(4)

где t_c – время, соответствующее моменту сравнения,

t – постоянная времени экспоненты.

Генератор 2 прямоугольных импульсов вырабатывает импульсы с необходимой частотой повторения. Эти импульсы с противофазных выходов поступают на вход делителя 3 частоты и на управляющие входы ключей 7 и 8. Прямоугольные импульсы с выхода делителя 3 частоты (рис.2.а) поступают на вход одно вибратора 4.

Прямоугольные импульсы с необходимой длительностью с выхода одно вибратора 5 экспоненты, выход которого соединен через эмиттерный повторитель 6 с выходом электронного ключа 8, где формируется дискретный экспоненциальный импульс тока, который протекает через излучающий диод 9, вызывает поток излучающий по такому же закону. Противофазно заполняющим экспоненту импульсам переключатся электронный ключ 7. протекающий через излучающий диод 10 импульс тока вызывает световой поток, амплитуда которого постоянна. Прошедшие через газовую камеру потоки воспринимаются фотоприемником 12.

Рис.2.Блок схема устройства

Рис.3. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

На (рис.2.в) изображена временная диаграмма суммарного фотоэлектрического сигнала на выходе фотоприемника 12. этот сигнал подается на вход первого дифференцирующего устройства 13, с выхода которого продифференцированный фотоэлектрический сигнал (рис.2.г) поступает на вход порогового устройства 14.

Далее сигнал с выхода порогового устройства 14 (рис.2.2.д) подается на один из входов схемы совпадения15. На другой вход схемы совпадения 15 подается сигнал с выхода второго дифференцирующего устройства 16 (рис.2.е).

С момента сравнения t_с на выходе схемы совпадений 15 появляется серия импульсов, которые поступают на счетный вход счетчика 17 (рис.2.2.ж).

В начале следующей экспоненты на вход «Установка нуля» счетчика 17 поступают прямоугольные импульсы с выхода одно вибратора 4 и счетчик 17 подготавливается. По показаниям счетчика можно определить концентрацию CO₂ газов.

В оптоэлектронном устройстве использованы в качестве излучающего диода на опорной длине волне светодиоды на основе GaAlAsSb/GaInAsSb/ GaAlAsSb (3.12 мкм), а излучающего диода на измерительной длине волны светодиоды на основе GaAlAsSb/GaInAsSb/GaAlAsSb (3.39 мкм).

В оптоэлектронное устройство для контроля содержания СО₂ в атмосфере применен фотодиод серии PD36 для спектрального диапазона 1,5—3,8 мкм на основе гетероструктуры InAs/InAsSbP.

Литература

1.Авезов Р. Р., Лутпуллаев С. Л. Состояние, перспективы и проблемы использования возобновляемых источников энергии в Узбекистане. // Конференция посвященная Году Физики – 2005 г. Ташкент, 27 – 28 сентября 2005 г.,с.119.

2.Берман Э. Геотермальная Энергия. Перевод с английского под редакцией д. г-м. н. Б.Ф. Маврицкого. Издательство «Мир», Москва. 1978. – 167с.

3. Алхасов А. Б. Геотермальная энергетика: проблемы, ресурсы, технологии. М.: Физматлит, 2008. 376 с.

4. Процессы тепломассопереноса при комплексном использовании геотермальных резурсов: Монография / В. В. Потапов, М. А. Близнюков, С. А. Смывалов, В. А. Горбач. – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2005. – 136 с.