Многоцелевой робот на базе Пелец 300 для гражданских и военных нужд | ВЕЗДЕХОДЫ

Текст доклада о «Пелец 300-МРП» на Круглом столе: «Робототехника, спецтранспорт и беспилотные системы в интересах силовых структур. Перспективы развития.»

Участники проекта:

— Компания ООО «Северный технопарк» входит в группу «КиТ авто», выпускающую специальный транспорт повышенной проходимости — вездеходы — под торговым знаком «Пелец». 

Группа начала свою деятельность с разработки снегоболотоходов амфибий в 2005 году, когда команда инженеров вдохновленная идеей череповецкого конструктора — Владимира Пелецкого решила запустить компактный вездеход оригинальной конструкции в серийное производство. 

С 2005 по 2007 гг. прототипы проходили полевые испытания и с 2008 г первая модель вездехода Пелец начала выпускаться серийно. С тех пор за 6 лет мы выпустили около 1000 единиц вездеходов Пелец. Компания выполняет полный цикл разработки и производства снегоболотоходов Пелец.  

— Московский Авиационный Институт, который имеет статус Национального исследовательского университета, факультет №7  «Робототехнических и интеллектуальных систем». Научные работники данного факультета помимо робототехники занимаются также разработкой интеллектуальных систем наведения для авиационного вооружения, вопросами компьютерного зрения, автономного управления как наземных, так и воздушных систем.

Еще раз хочу подчеркнуть, что данный проект полностью финиансируется за счет средств участников проекта и является инициативной разработкой.

Таким образом, мы получили модель Пелец 300-МРП (многофункциональная роботизированная платформа) со следующими характеристиками:

• Компактный снегоболотоход-амфибия с размерами 2,2 м в длину, 1,6 м в ширину и 1,1 м в высоту без учета видеокамеры, которая может быть легко перенесена для занижения силуэта робота.
• Грузоподъемность составила 300 кг на воде и около 500 кг на земле. Тяговое усилие около 300 кг позволяет тащить за собой прицеп или сани-волокуши.
• Скорость на земле составила до 18 км/ч, и на воде за счет вращения гусениц до 1 км/ч. При этом скорость и грузоподъемность робота может быть значительно увеличена при использовании других моделей вездеходов Пелец (например, Круизер или Пелец Транспортер), которые обладают аналогичной системой органов управления, но более мощными двигателями и большим водоизмещением.
• Проработана схема бронирования данной модели робота, которая может быть осуществлена по 5-му классу бронирования.
• Дальность связи с оператором составляет до 1 км в пределах прямой видимости и может быть значительно увеличена за счет использования ретрансляторов, установленных на аналогичных роботах связываемых в сеть, либо за счет сопряженного БПЛА, устанавливаемого и базирующегося непосредственной на роботе «Пелец300-МРП».

В автономном режиме использования на роботе реализовано: 

1. движение по заранее заданным меткам в системе навигации ГЛОНАСС

2. движение за лидером, обозначенным визуальной меткой в режиме радиомолчания

3. движение по визуальным маркерам расположенным на незнакомой местности

4. автоматический возврат по ранее пройденному маршруту

Особенности данной разработки:

— при необходимости органы управления могут быть легко и быстро отключены, и вездеход может быть переведен на ручной режим управления;

— универсальная система управления, позволяющая переставить блок управления и сервоприводы на любую модель снегоболотохода-амфибии «Пелец» (модели с разными силовыми агрегатами, грузоподъемностью, скоростью и габаритами).

Возможности по использованию:

для гражданского использования:

для проведения спасательных операций 

— в качестве разведчика, также в сочетании с БПЛА оснащенным камерами инфракрасного видения и базирующегося непосредственно на вездеходе — для поиска людей

— в качестве машины снабжения — доставка оборудования в труднодоступные места, 

— эвакуация пострадавших

— при оснащении манипулятором — разбор завалов

— может быть оснащена пожарной установкой — локализация пожаров в труднодоступных местах и т. п.

для военного использования:

— в качестве разведчика, для патрулирования местности, для охраны объектов

— машина снабжения переднего края

— эвакуация раненых

— боевая единица — как носитель легкого стрелкового или ракетного вооружения

— в качестве легкого и недорогого тральщика для разминирования 

Дальнейшие планы по разработке:

— сопряжение с БПЛА с местом базирования на роботе, отработка алгоритмов работы в автономном режиме для самостоятельной прокладки маршрута в условиях сложнопересеченной местности и завалов, отработка режимов работы в группе роботов

— при получении ТЗ от заинтересованных в данной разработке — доработка под требования заказчика

Пелец 300-МРП Многоцелевой робот | Вездеходы

Пелец 300-МРП (многофункциональная роботизированная платформа) со следующими характеристиками:
Компактный снегоболотоход-амфибия с размерами 2,2 м в длину, 1,6 м в ширину и 1,1 м в высоту без учета видеокамеры, которая может быть легко перенесена для занижения силуэта робота.
Грузоподъемность составила 300 кг на воде и около 500 кг на земле. Тяговое усилие около 300 кг позволяет тащить за собой прицеп или сани-волокуши.

Скорость на земле составила до 18 км/ч, и на воде за счет вращения гусениц до 1 км/ч. При этом скорость и грузоподъемность робота может быть значительно увеличена при использовании других моделей вездеходов Пелец (например, Круизер или Пелец Транспортер), которые обладают аналогичной системой органов управления, но более мощными двигателями и большим водоизмещением.
Проработана схема бронирования данной модели робота, которая может быть осуществлена по 5-му классу бронирования.
Дальность связи с оператором составляет до 1 км в пределах прямой видимости и может быть значительно увеличена за счет использования ретрансляторов, установленных на аналогичных роботах связываемых в сеть, либо за счет сопряженного БПЛА, устанавливаемого и базирующегося непосредственной на роботе «Пелец300-МРП».
В автономном режиме использования на роботе реализовано: 
1. движение по заранее заданным меткам в системе навигации ГЛОНАСС
2. движение за лидером, обозначенным визуальной меткой в режиме радиомолчания
3. движение по визуальным маркерам расположенным на незнакомой местности
4. автоматический возврат по ранее пройденному маршруту
 
Особенности данной разработки:
— при необходимости органы управления могут быть легко и быстро отключены, и вездеход может быть переведен на ручной режим управления;
— универсальная система управления, позволяющая переставить блок управления и сервоприводы на любую модель снегоболотохода-амфибии «Пелец» (модели с разными силовыми агрегатами, грузоподъемностью, скоростью и габаритами).
 
Возможности по использованию:
 
для гражданского использования:
для проведения спасательных операций 
— в качестве разведчика, также в сочетании с БПЛА оснащенным камерами инфракрасного видения и базирующегося непосредственно на вездеходе — для поиска людей
— в качестве машины снабжения — доставка оборудования в труднодоступные места, 
— эвакуация пострадавших
— при оснащении манипулятором — разбор завалов
— может быть оснащена пожарной установкой — локализация пожаров в труднодоступных местах и т. п.
 
для военного использования:
— в качестве разведчика, для патрулирования местности, для охраны объектов
— машина снабжения переднего края
— эвакуация раненых
— боевая единица — как носитель легкого стрелкового или ракетного вооружения
— в качестве легкого и недорогого тральщика для разминирования 

Участники проекта:

• Компания ООО «Северный технопарк» входит в группу «КиТ авто», выпускающую специальный транспорт повышенной проходимости — вездеходы — под торговым знаком «Пелец». 
• Московский Авиационный Институт, который имеет статус Национального исследовательского университета, факультет №7  «Робототехнических и интеллектуальных систем». Научные работники данного факультета помимо робототехники занимаются также разработкой интеллектуальных систем наведения для авиационного вооружения, вопросами компьютерного зрения, автономного управления как наземных, так и воздушных систем.

Производство: 

Россия

TG-51: Дозиметрия линейного ускорителя | Онкология Медицинская физика

Загрузки

AAPM TG-51: Клиническая эталонная дозиметрия пучков фотонов и электронов высокой энергии (Внешняя ссылка)

Дополнение к протоколу AAPM TG-51 для клинической эталонной дозиметрии (Внешняя ссылка)

Обзор

AAPM TG-51 — это текущий стандарт для клинической дозиметрии полей фотонов и электронов высокой энергии. Это прямой предшественник TG-21 с упором на простоту и уменьшение человеческих ошибок. Это упрощение было достигнуто главным образом за счет трех важных изменений. Во-первых, было исключено использование пластиковых фантомов в первичной дозиметрии. Это избавило от необходимости передавать дозу для фантома в воду с использованием тормозных способностей и массовых коэффициентов ослабления. Во-вторых, ТГ-51 использовал 9{60_{Co}}\) ) , именуемый в приложении калибровочным коэффициентом , непосредственно в аккредитованной дозиметрической калибровочной лаборатории (ADCL). Это избавило TG-21 от необходимости передавать дозу газа в камере для дозирования на фантом с использованием теории полостей Брэгга-Грея (BG). В-третьих, коэффициент преобразования качества (\(k_Q\)) значительно упрощает процесс за счет преобразования коэффициента тормозной способности, а также поправок камеры (стенка, градиент, плотность потока и центральный электрод) в единую количественную оценку, которую можно найти. в зависимости от качества луча.

В марте 2014 г. было опубликовано дополнение к TG-51, касающееся выравнивания лучей без фильтра (FFF), обновления некоторых значений на основе новых клинических данных, анализа источников ошибок в TG-51 и предоставления рекомендаций по выбору эталонного класса. дозиметр. Изменения, внесенные в протокол, указаны здесь вместе с исходными значениями TG-51.

Фермерские камеры

Ключевой момент: Фермерские камеры представляют собой наперстковые ионизационные камеры, широко используемые в эталонной дозиметрии. Вопросы, касающиеся конструкции и эксплуатации фермерских палат, часто встречаются на экзаменах.

• Типовой чувствительный объем: 0,6 см3 (приблизительно цилиндрический, радиус 0,3 см, длина 2 см)
• Типичный ответ: 20 нКл/Гр
• Эффективная точка измерения:
  • Фотоны: 0,6r _cav (~0,18 см) перед центральной осью
  • Электроны: 0,5r _cav (~0,15 см) перед центральной осью

Процедура фотонной дозиметрии

1. Выберите калиброванную ионную камеру ADCL и запишите N _D,w ^Co-60

Рекомендации по работе ионизационной камеры приведены в Приложении TG-51.

Технические характеристики ионизационной камеры эталонного класса

2. Определите коэффициент преобразования качества луча (k _Q ), используя %DD(10) _x .

Измерение процентной глубины дозы фотонной составляющей луча на глубине 10 см в приборе 10×10 см ² поле (%DD(10) _x ). Это измерение должно быть выполнено в эффективной точке измерения с SSD = 100 см.

Обратите внимание, что эффективная точка измерения составляет 0,6r _cav для цилиндрических камер в фотонных пучках.

k _Q определяется с помощью приведенной ниже таблицы и является функцией как %DD(10) _x , так и используемой ионизационной камеры.

Использование свинцовой фольги

• • • ТГ-51 требует размещения свинцовой фольги толщиной 1 мм на расстоянии 50 см (±5 см) или 30 см (±1 см) от поверхности воды для полей высокой энергии (≥10 МВ). Это измерение, обозначаемое как %DD(10) _Pb , служит для фильтрации рассеянных электронов из обрабатывающей головки при введении известного и, таким образом, компенсированного количества электронов, генерируемых в фольге. %DD(10) _Pb корректируется до %DD(10) _x с использованием приведенных ниже уравнений.
    • Дополнение к TG-51 отменяет требование об использовании свинцовой фольги для пучков высокой энергии и добавляет требование о том, что поля FFF должны использовать свинцовую фольгу. Сплющенные пучки высокой энергии, не использующие свинцовую фольгу, должны использовать поправочную формулу, приведенную в уравнении 15 AAPM TG-15, для определения %DD(10) _х . Обратите внимание, что использование свинцовой фольги немного улучшит точность измерения.

k _Q Ключевые моменты: Поправочный коэффициент качества пучка (k _Q ) корректирует не только энергетическую зависимость ионизационной камеры! k _Q также включает:

• Электронное загрязнение свинцовой фольги
• Возмущения потока электронов из-за конструкции камеры
• Эффективная точка измерения
  • Позже камера будет размещена в точке измерения, а не в фактической точке измерения.

Значения

kQ на глубине 10 см в пучках фотонов ускорителя. Источник: AAPM TG-51. 2 опорное поле.

P _ion   находится путем сравнения показаний высокого и низкого напряжения, подаваемого на ионизационную камеру, с использованием приведенных ниже уравнений. Нижние индексы L и H указывают на низкое или высокое напряжение, обычно 150 В и 300 В соответственно.

P _ion Ключевые моменты:

P _ion должен быть меньше или равен 1,515 на TG-515.

P _ion корректирует потерю эффективности сбора ионов из-за рекомбинации. Таким образом, стр. _ион не может быть меньше 1!

P _ion  обычно увеличивается с увеличением дозы за импульс.

P _ion  значения для фермерской камеры:

• 1,003 для 6X
• 1,006 для 18X
• 1,014 для электронов

P _Pol определяется путем измерения положительного и отрицательного напряжения.  

P _TP  определяется с использованием местного атмосферного давления для камер, сообщающихся с воздухом, и температуры. Здесь P дается в кПа, а T дается в градусах Цельсия.

P _elec учитывает погрешность измерения электрометра. P _elec определяется ADCL.

P _утечка   учитывает ток утечки ионизационной камеры. Обычно его измеряют с установленным оборудованием, включенным ускорителем, но без включенного луча. Если ионная камера соответствует спецификациям приложения TG-51 для ионизационной камеры эталонного класса (т. е. утечка P < 0,1%), то P _утечка может быть принята за 1.000.

P _rp учитывает изменения поперечного профиля луча в чувствительном объеме камеры. Для лучей FFF это отклонение может достигать 0,5%, но меньше 0,05% для плоских полей. По этой причине по-прежнему принято считать P _rp =1 для уплощенных полей. Для полей FFF определение P _rp требует измерения латеральных профилей в обоих направлениях X и Y на эталонной глубине (10 см) и нормализованных к 1 по центральной оси (пик). стр. _rp равно 1 по среднему значению профиля в чувствительном объеме детектора. P _rp должен быть >1 для лучей FFF.

P _Pol Ключевые моменты:

P _Pol корректирует различия в эффективности сбора при разных полярностях.

P _Pol обычно является наименьшим обычно применяемым поправочным коэффициентом.

TG-51 и приложение TG-51 различаются допустимым диапазоном и обращением с P _поль .

• • • • TG-51 указывает, что если коррекция P _pol <0,997 или >1,003, замените .

      В приложении

      • TG-51 указано, что ионная камера эталонного класса должна иметь 0,996≤ P _pol ≤ 1,004 при любой энергии и , что общее изменение P _pol для всех энергий должно быть менее 0,5%.

4. Рассчитывается доза на глубине 10 см.

Измерение производится на расстоянии 10 см точка измерения в поле 10×10 см ² с использованием установки SSD или SAD.

5. %DD используется для расчета дозы на глубине калибровки (обычно d _max ).

При расчете дозы на калибровочной глубине можно использовать либо измеренную кривую %DD, либо кривую %DD, смоделированную в системе планирования лечения. Использование измеренного %DD оптимизирует точность при d _max , а использование значения TPS %DD(10) оптимизирует точность расчета TPS на глубине. Несмотря на то, что любой метод измерения действителен, общепризнано, что точность TPS на глубине наиболее важна с клинической точки зрения.

Процедура электронной дозиметрии

1. Выберите калиброванную ионную камеру и запишите N _D,w ^Co-60

на АДКЛ. Плоскопараллельные камеры

должны использоваться для электронных полей, где R ₅₀ <2,6 см (<6 МэВ), и рекомендуются для полей с R ₅₀ <4,3 см (<10 МэВ). Плоскопараллельные камеры должны быть перекрестно откалиброваны в пучке пользователя с калиброванной ADCL цилиндрической ионной камерой. Прочитайте процедуру перекрестной калибровки плоскопараллельной камеры здесь (местная ссылка).

Ключевой момент: Плоскопараллельные камеры должны быть откалиброваны относительно калиброванной ADCL цилиндрической камеры в пучке пользователей. Они не калибруются непосредственно на ADCL.

2. Определите размер эталонного поля (обычно 10×10 см)

Для пучков с R ₅₀ ≤8,5 см (<20 МэВ) можно использовать поле 10x10 см ² .

Для R ₅₀ >8,5см (>20МэВ) необходимо использовать поле размером 20×20см ² или больше.

Технические характеристики ионизационной камеры эталонного класса

3. Определить коэффициент преобразования электронного качества (k’ _R50 )

i. Измерьте кривую ионизации, используя размер поля, определенный на шаге 2, с SSD = 100 см, используя эффективных точек измерения. Используйте эту кривую для определения глубины 50% максимальной ионизации (I ₅₀ ).

Примечание: эффективная точка измерения для цилиндрической камеры в электронном пучке составляет 0,5r _cav и является входной поверхностью камеры для плоскопараллельной камеры.

ii. I ₅₀ преобразуется в глубину 50% максимальной дозы (R ₅₀ ) с использованием приведенного ниже уравнения.

iii. k’ _R50  находится в зависимости от R ₅₀ и модели камеры с использованием таблицы 5 из ТГ-51.

Рассчитано k’ _{R50 9Значения 0037 при d ref Изображение предоставлено: AAPM TG-51 рис. 5.}

Ключевой момент: Преобразование кривой глубинной ионизации в кривую глубинной дозы требуется для измерений электронов, но не для измерений фотонов.

Почему?

Фотонные лучи постоянно высвобождают электроны на пути луча. В результате, хотя флюенс электронов может меняться с глубиной, спектр энергий электронов примерно постоянен. Поскольку тормозная способность зависит от энергии, это означает, что тормозная способность не меняется с глубиной для электронов, генерируемых фотонным пучком. Поэтому кривые глубинной дозы и глубинной ионизации имеют одинаковую форму.

Электронные лучи, напротив, постоянно теряют энергию. Это означает, что тормозная способность электронных пучков меняется с глубиной, а форма кривой глубинной ионизации не совпадает с кривой глубинной дозы. Неспособность исправить этот эффект приведет к ошибке 3-5% в PDD (d _ref )!

4. Определите коэффициент преобразования фотон-электрон (k _ecal )

K _ecal необходим для преобразования предоставленного калибровочного коэффициента ADCL (N _D,w ^Co-60 ) от эталона фотона до коэффициента калибровки поглощенной дозы электронного пучка.

K _ecal определяется из табличных значений, представленных в таблицах III TG-51.

Табличные значения k _ecal для плоскопараллельных камер. Изображение предоставлено: таблица AAPM TG-51 II.

Табличные значения k _ecal для цилиндрических камер. Изображение предоставлено: таблица AAPM TG-51 III.

5. Определить контрольную глубину (d _ref )

d _ref выбрана в качестве глубины измерения, а не 10 см (как в фотонных пучках), потому что глубина 10 см находится в или за пределами области быстрого спада дозы для многих клинических пучков. d _ref также предпочтительнее простого использования d _max из-за значительного вклада рассеянных электронов при d _max в полях более высоких энергий (<12 МэВ).

Типичные значения %DD(d _ref ):

<12e: D _Ref ≅ 100%
16e: D _ref ≅ 99%
18e: D _ref ≅ 98%
20e: D _ref ≅ 95,5%

6. Определение градиента. коэффициент (P _г ^Q ) для цилиндрических камер

Измерение M _{необработанного} следует проводить в точке измерения.

Ключевой момент: Нет необходимости измерять P _гр ! Такую же коррекцию можно получить, используя эффективная точка измерения вместо точки измерения в последующих измерениях.

Типичный P _GR ^Q Значения:

ПАРАЛЕЛЬНЫЙ КАМЕРЫ: P _GR ^Q = 1.00

CILDRICL CAMBER:

93

. MER

93

93

400049. ^Q > 1,00
E = 12 МэВ: P _гр ^Q ≅ 1,00
E > 12 МэВ: P _гр ^Q < 1,00

Почему такая тенденция?

Поскольку для низких энергий d _ref ≅ d _max , поместив эффективную точку измерения для M _{необработанного} (d _ref ) измерения в область нарастания. При более высоких энергиях d _ref >   d _max , что означает, что меньшие глубины будут иметь большую дозу.

7. Найдите поправочные коэффициенты и преобразуйте M _raw в M.

Примечание. Все эти измерения выполнены на эталонной глубине (d _ref )  точка измерения , определенная на шаге 5. к ионизационной камере прикладывают низкое напряжение, используя приведенные ниже уравнения. Нижние индексы L и H указывают на низкое или высокое напряжение, обычно 150 В и 300 В соответственно.

П _ion Ключевые моменты:

P _ion должен быть меньше или равен 1,05 на TG-51.

P _ion корректирует потерю эффективности сбора ионов из-за рекомбинации. Поэтому P _ion не может быть меньше 1!

P _ion  обычно увеличивается с увеличением дозы за импульс.

P _ion  значения для фермерской камеры:

• 1,003 для 6X
• 1,006 для 18X
• 1,014 для электронов

P _Pol определяется путем измерения положительного и отрицательного напряжения.  

P _TP  определяется с использованием местного атмосферного давления для камер, сообщающихся с воздухом, и температуры. Здесь P дается в кПа, а T дается в градусах Цельсия.

P _elec учитывает погрешность измерения электрометра. Пелек определяется ADCL.

P _утечка   учитывает ток утечки ионизационной камеры. Обычно его измеряют с установленным оборудованием, включенным ускорителем, но без включенного луча. Если ионная камера соответствует спецификациям приложения TG-51 для ионизационной камеры эталонного класса (т. е. утечка P < 0,1%), то утечка P может быть принята за 1,000.

P _rp учитывает изменения поперечного профиля луча в чувствительном объеме камеры. стр. _rp равно 1 по среднему значению профиля в чувствительном объеме детектора.

P _Pol Ключевые моменты:

P _Pol корректирует различия в эффективности сбора при разных полярностях.

P _Pol обычно является наименьшим обычно применяемым поправочным коэффициентом.

TG-51 и дополнение к TG-51 различаются допустимым диапазоном и обращением с P _pol .

• • • • TG-51 указывает, что если коррекция P _pol <0,997 или >1,003, замените .

      В приложении

      • TG-51 указано, что ионная камера эталонного класса должна иметь 0,996≤ P _pol ≤ 1,004 при любой энергии и , что общее изменение P _pol для всех энергий должно быть менее 0,5%.

8. Вычисляется доза на эталонной глубине (d _ref ).

Примечание: SSD можно выбрать в диапазоне 90-110см.

9. %DD используется для расчета дозы на глубине калибровки (обычно d _max ).

При расчете дозы на калибровочной глубине можно использовать либо измеренную кривую %DD, либо кривую %DD, смоделированную в системе планирования лечения. Использование измеренного %DD оптимизирует точность при d _max , а использование значения TPS %DD(d _ref ) оптимизирует точность расчета TPS на глубине. Несмотря на то, что любой метод измерения действителен, общепризнано, что точность TPS на глубине наиболее важна с клинической точки зрения.

Взаимная калибровка плоскопараллельной ионной камеры

Поскольку плоскопараллельные камеры чувствительны к очень небольшим изменениям в своей конструкции, TG-21, TG-39 и TG-51 рекомендуют проводить перекрестную калибровку по цилиндрической камере, откалиброванной ADCL, в высокоэнергетичных электронах. поле. Шаги для этого процесса приведены ниже.

1. Определить дозу на эталонной глубине для поля электронов высокой энергии с использованием цилиндрической камеры (D _w ) ^{Цилиндр} .

2. Измерьте M на эталонной глубине для плоскопараллельной камеры.

3. Найдите k’ _R50 для плоскопараллельной камеры на рисунке 6 TG-51 (внутренняя ссылка).

4. Найдите k _ecal для плоскопараллельной камеры, используя таблицу II TG-51 (внутренняя ссылка).

5. Вычислите (k _ecal N _D,w ^Co-60 ) ^PP и используйте этот коэффициент вместо (k _ecal  N _D,w ^Co-60 ) для будущих измерений в плоскопараллельной камере.

Расчетные значения k’ _R50 при d _ref для плоскопараллельных камер. Изображение предоставлено: AAPM TG-51 рис. 6.

Навигация

Главная страница

Клинический линейный ускоритель
Содержание

Следующая страница

TRS-483: Малая полевая дозиметрия

Не член Premium?

Зарегистрируйтесь сегодня, чтобы получить доступ к сотням практических вопросов по стилю ABR.

Спектральная техника для солнечно-тепловых и теплорадиационных систем

Автор(ы)

Хуанг, Йи, доктор философии. Д. Массачусетский технологический институт.

Download1191716251-MIT.pdf (11.88Mb)

Другие участники

Массачусетский технологический институт. Кафедра машиностроения.

Советник

Ган Чен.

Условия использования

Тезисы MIT могут быть защищены авторским правом. Пожалуйста, повторно используйте содержание диссертации MIT в соответствии с Политикой разрешений библиотек MIT, которая доступна по указанному URL-адресу.
http://dspace.mit.edu/handle/1721.1/7582

Метаданные

Показать полную запись позиции

Abstract

Повышение энергоэффективности при производстве электроэнергии и снижение энергопотребления являются двумя важными направлениями решения проблем энергоснабжения и глобального потепления, с которыми мы сталкиваемся сегодня. Излучение солнца и земных источников тепла может быть использовано для производства электроэнергии. Это также важный канал теплопередачи, которым можно управлять, чтобы регулировать температуру объектов. В этой диссертации мы сосредоточимся на стратегиях сбора и контроля солнечного и теплового излучения с целями (1) повышения эффективности производства электроэнергии с использованием солнечной и тепловой фотоэлектрической энергии и (2) снижения потребления энергии, используемой для поддержания человеческого комфорта в искусственной среде. . Солнечное излучение, как один из самых распространенных источников энергии на Земле, в настоящее время улавливается фотогальваническими установками по всему миру. Хотя солнечная фотоэлектричество уже достигло значительной эффективности, еще есть возможности для совершенствования.

Одним из фундаментальных ограничений в солнечной фотоэнергетике является отбрасывание фотонов с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны материала. Еще одной проблемой для солнечных фотоэлектрических систем из-за прерывистого характера солнечной энергии является отсутствие недорогих систем хранения электроэнергии, которые обеспечивают электроэнергию по запросу. Солнечные тепловые системы, с другой стороны, могут распределять энергию по требованию из-за низкой стоимости систем хранения тепла. Гибридные системы, сочетающие солнечные фотоэлектрические и солнечные тепловые системы, потенциально могут собирать солнечную энергию с более высокой эффективностью и обеспечивать более управляемые источники энергии. В первой части моей диссертации мы разработали и экспериментально протестировали спектрально-селективный теплопроводный компонент для использования в такой гибридной солнечной и фотоэлектрической тепловой системе.

Компонент может направлять часть солнечного спектра на фотоэлектрические элементы и поглощать остальную часть спектра для использования в тепловой системе, тем самым собирая весь солнечный спектр с эффективностью преобразования энергии, близкой к 23%, и с более 40% электроэнергии, подлежащей диспетчеризации, вырабатывается из тепловой энергии. Эффективность фотогальванического преобразования энергии также можно повысить за счет рециркуляции фотонов с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны материала. В термофотоэлектрической системе низкоэнергетические фотоны могут отражаться обратно к источнику излучения, и, следовательно, энергия, переносимая этими фотонами, может быть повторно использована. Термофотогальванические устройства также продемонстрировали большой потенциал для обеспечения недорогостоящей, диспергируемой электроэнергии в сочетании с высокотемпературными системами хранения тепла и концентрированной солнечной энергией. Во второй части моей диссертации мы разработали и оптимизировали практичный термофотоэлектрический элемент на основе кристаллического кремния, который будет изготовлен на пластинах с двусторонней полировкой.

Элемент TPV на основе кремния в сочетании с серым радиатором 2300K потенциально может достичь эффективности преобразования энергии 40%. Мы оценили и оптимизировали характеристики Si-TPV с учетом всех компонентов фотоэлектрического элемента, включая легирование и глубину перехода, поле передней и задней поверхности, пассивирующий слой, задний отражатель, переднюю металлизацию, а также устойчивость к шероховатости, возникающей при изготовлении. . Экспериментальные испытания были проведены на образцах из легированного кремния с обратными отражателями, и были выявлены потенциальные пути дальнейшего снижения оптических и электрических потерь. Зрелость технологий Si PV и их относительно низкая стоимость указывают на большие перспективы высокоэффективных термофотоэлектрических устройств для хранения высокотемпературной тепловой энергии. Тепловое излучение также является неотъемлемой частью регуляции теплового баланса и температуры человеческого тела. Помещения в застроенных средах обычно поддерживаются при температуре, близкой к температуре окружающей среды, для теплового комфорта человека.

Однако на обогрев и охлаждение помещений расходуется 40% всей энергии, используемой в США. Вместо регулирования температуры в обширных пространствах локальное регулирование тепла вблизи человеческих тел потенциально может сэкономить большое количество энергии. В третьей части моей диссертации мы изучаем использование тканей для регулирования температуры кожи человеческого тела путем управления входными и выходными радиационными каналами кожи человека, важным, но малоизученным каналом регулирования температуры тела.