Перспективные энергетические и информационные технологии для транспорта: от нанопроводниковых аккумуляторов до квантовых вычислений

Тип работы: Материал
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 8 страниц
В избранное:

Тема 1. Нанопроводниковый аккумулятор - 2 часа.

План занятия:

1. Конструкция

2. Достоинства нанопроводникового аккумулятора

3. Тенденции развития нанопроводниковых аккумуляторов

На́нопроводнико́вый аккумуля́тор - вид литий-ионного аккумулятора, изобретённый группой под руководством д-ра Yi Cui в Стэнфордском университете в 2007 г. Изобретение состоит в замене традиционного графитового анода аккумулятора на анод из нержавеющей стали, покрытый кремниевым нанопроводником. Кремний, способный удерживать в 10 раз больше лития чем графит, позволяет создавать значительно большую плотность энергии на аноде, снижая таким образом массу аккумулятора. В будущем увеличение площади поверхности анода позволит ускорить процесс зарядки и разрядки.

Первоначально провели исследование традиционных кремниевых анодов, но они были отвергнуты в связи с тенденцией кремния растрескиваться и увеличиваться в объёме. Такой анод становится неработоспособным, потому что в процессе работы трещины заполняются литием. Нанопроводник свободен от этого недостатка. По словам доктора Кю, аккумуляторы достигали десятикратной плотности заряда при первой зарядке и затем стабилизировались на уровне восьмикратной плотности при последующих зарядках. Поскольку это достигается только за счёт усовершенствования анода, необходимо будет провести эквивалентное изменение катода, чтобы получить максимальное повышение плотности хранения энергии.

Как ожидается, коммерциализация изобретения продлится до 2012 года. За это время стоимость хранения ватт-часа энергии станет такой же или даже меньше по сравнению с обычными литий-ионными аккумуляторами. Следующий важный этап - тестирование жизненного цикла - должен быть скоро завершен, группа рассчитывает добиться не менее тысячи циклов на аккумулятор.

Тема 2. Альтернативные источники энергии - геотермальная энергетика, биотопливо - 2 часа.

План занятия:

1. Геотермальная энергетика

2. Биотопливо

Геотермальная энергетика - направление энергетики, основанное на производстве электрической энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. Обычно относится к альтернативным источникам энергии, использующим возобновляемые энергетические ресурсы.

В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Более чем такие паротермы распространены сухие высокотемпературные породы, энергия которых доступна при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее 100 °C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий, потому наиболее перспективным считается использование геотерм в качестве источника тепла.

Геотермальная энергетика подразделяется на два направления: петротермальная энергетика и гидротермальная энергетика.

Главным достоинством геотермальной энергии является её практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.

Существуют следующие принципиальные возможности использования тепла земных глубин. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех этих целей. Высокотемпературное тепло околовулканического района и сухих горных пород предпочтительно использовать для выработки электроэнергии и теплоснабжения. От того, какой источник геотермальной энергии используется, зависит устройство станции.

Если в данном регионе имеются источники подземных термальных вод, то целесообразно их использовать для теплоснабжения и горячего водоснабжения. Например, по имеющимся данным, в Западной Сибири имеется подземное море площадью 3 млн м ² с температурой воды 70-90 °С. Большие запасы подземных термальных вод находятся в Дагестане, Северной Осетии, Чечне, Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, на Камчатке и в ряде других районов России, также в Казахстане.

Главная из проблем, которые возникают при использовании подземных термальных вод, заключается в необходимости возобновляемого цикла поступления (закачки) воды (обычно отработанной) в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например, бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности.

Наибольший интерес представляют высокотемпературные термальные воды или выходы пара, которые можно использовать для производства электроэнергии и теплоснабжения.

Петротермальная энергетика . Данный тип энергетики связан с глубинными температурами Земли, которые с определённого уровня начинают подниматься. Средняя скорость её повышения с глубиной - около 2, 5 °С на каждые 100 м. На глубине 5 км температура составляет примерно 125 °С, а на 10 км около 250 °С. Добыча тепла производится посредством бурения двух скважин, в одну из которых закачивается вода, которая, нагреваясь, попадает в смежную скважину и выходит в виде пара. Проблема данной энергетики на сегодня - её рентабельность.

Биото́пливо - топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов.

Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное (синтез-газ, биогаз, водород) .

Растительное сырье разделяют на поколения.

Первыми начали использовать традиционные сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров. Растительные жиры хорошо перерабатываются в биодизель. Растительные крахмалы и сахара перерабатываются на этанол. Однако такое сырье оказалось крайне неудобным: помимо затратного землепользования с истощением почв и высокими потребностями в обработке почв, удобрениях и пестицидах его изъятие с рынка прямо влияет на цену пищевых продуктов. Такое сырье относят к первому поколению .

Непищевые остатки культивируемых растений, травы и древесина стали вторым поколением сырья. Его получение гораздо менее затратно чем у культур первого поколения. Такое сырье содержит целлюлозу и лигнин. Его можно прямо сжигать (как это традиционно делали с дровами), газифицировать (получая горючие газы), осуществлять пиролиз. Основные недостатки второго поколения сырья - занимаемые земельные ресурсы и относительно невысокая отдача с единицы площади.

Третье поколение сырья - водоросли. Не требуют земельных ресурсов, могут иметь большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства.

Биотоплива разделяют на твердые, жидкие и газообразные. Твердые - это традиционные дрова (часто в виде отходов деревообработки) и топливные гранулы (прессованные мелкие остатки деревообработки) .

Жидкие топлива - это спирты (метанол, этанол, бутанол), эфиры, биодизель и биомазут.

Газообразные топлива - различные газовые смеси с угарным газом, метаном, водородом получаемые при термическом разложении сырья в присутствии кислорода (газификация), без кислорода (пиролиз) или при сбраживании под воздействием бактерий.

Тема 3. Альтернативные источники энергии - водородная энергетика, органические солнечные батареи - 2 часа.

План занятия:

1. Водородная энергетика

2. Органические солнечные батареи

Водородная энергетика - развивающаяся отрасль энергетики, направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики) .

К концу 2008 года во всём мире функционировало 2000 водородных автомобильных заправочных станций. Из общего количества заправочных станций, построенных 2004-2005 году, всего 8 % работают с жидким водородом, остальные с газообразным.

Планируется строительство

Водородное шоссе (Калифорния) - 200 заправочных станций на главных шоссе штата.
Hi Way Initiative - водородное шоссе в штате Нью-Йорк (США) .
Водородный коридор (Канада) - 900 км водородного коридора вдоль главных дорог между Монреалем и Виндзором.
HyNor (Норвегия) - водородное шоссе между городами Осло и Stavanger (580 км)
2H2 - водородное шоссе Иллинойса.
SINERGY - Сингапурская энергетическая программа
The Northern H (Канада, США) -Планируется соединить заправочными станциями крупные города вдоль главных торговых путей Манитобы (Канада), Дакоты, Миннесоты, Айовы и Висконсина.
New York Hydrogen Network: H2-NET (США) - 20 заправочных станций между Нью-Йорком и Буффало (штат Нью-Йорк) .

General Motors заявлял о возможных планах строительства 12000 водородных заправочных станций в городах США и вдоль главных автострад. Стоимость проекта компания оценивает в $12 млрд.

Отсутствие водородной инфраструктуры является одним из основных препятствий развития водородного транспорта.

Решением проблемы может стать применение водорода в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания, или смесей топлива с водородом, например, HCNG. В январе 2006 года Mazda начала продажи битопливного автомобиля Mazda RX-8 с роторным двигателем, который может потреблять и бензин, и водород.

В июле 2006 года транспортная компания BVG (Berliner Verkehrsbetriebe) из Берлина объявила о закупках к 2009 году 250 автобусов MAN с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде, что составит 20 % от автопарка компании.

В 2006 году Ford Motor Company начал выпуск автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде.

- Органические солнечные батареи Органические солнечные элементы (ОПВ) или пластиковые солнечные батареи, являются типом солнечных элементов, которые применяют органические, проводящие полимеры для сбора энергии от Солнца. В то время как их эффективность намного выше чем у обычных батарей, а стоимость намного ниже.

Органические солнечные элементы достигают максимальной эффективности, когда они непрозрачные, но ученые также могут пожертвовать эффективностью, чтобы сделать их полупрозрачными путем прореживания задних электродов металла до нескольких нанометров. Хотя это может быть полезно для некоторых объектов, таких как солнечные окна. Кроме того, один из интересных отелей современности может применить новые технологии на практике.

Теперь исследователи из ICFO объявили, что они смогли бы построить органические солнечные элементы с прозрачностью, что они утверждают практически не отличается от прозрачности обычного стекла, и до сих пор почти так же эффективны, как непрозрачные пластиковые ячейки.

Ученые сделали это путем включения фотонного кристалла внутрь панели, что позволило увеличить количество инфракрасного и ультрафиолетового излучения, поглощаемого панелью. Хотя это далеко от умопомрачительных результатов, эффективность прозрачной панелей показала 5, 6 процента, что составляет около половины рекорда эффективности для солнечных батарей этого типа.

Панели, разработанные в ICFO являются очень перспективными для строительно-интегрированной солнечной энергетики. Они могут быть использованы на искривленной поверхности и в тоже время являются почти прозрачными и также их цвет можно будет изменить путем изменения конфигурации фотонного кристалла.

Исследователи в настоящее время работают над повышении возможностей своих панелей: повысить их прочность, время использования, и попытки существенно повысить их эффективность.

Тема 4. Современные информационные технологии для транспорта - мобильная связь 4 и 5G - 2 часа

План занятия:

1. Мобильная связь поколения 4 G

2. Мобильная связь поколения 5 G

4G (от англ. fourth generation - четвёртое поколение) - поколение мобильной связи с повышенными требованиями. К четвёртому поколению принято относить перспективные технологии, позволяющие осуществлять передачу данных со скоростью, превышающей 100 Мбит/с подвижным и 1 Гбит/с - стационарным абонентам.

Технологиям LTE Advanced (LTE-A) и Mobile WiMAX Release 2 (также известным, как WirelessMAN-Advanced или IEEE 802. 16m) присвоено официальное обозначение IMT-Advanced, что позволяет их квалифицировать в качестве технологий 4G

Технология 4G, в частности, позволит абонентам смотреть многоканальные телетрансляции высокой четкости и управлять домашней бытовой техникой с помощью мобильного устройства, совершать дешёвые междугородные телефонные звонки.

5G ( 5-е поколение мобильных сетей или 5-е поколение беспроводных систем ) - телекоммуникационный стандарт связи нового поколения. В настоящее время 5G не является официальным термином, используемым для какой-либо конкретной спецификации или в каких-либо официальных документах, опубликованных телекоммуникационными компаниями или органами по стандартизации, такими как 3GPP, WiMAX Forum и МСЭ-Р. Японская NTT DoCoMo полагает, что запуск таких сетей станет возможен в 2020 году: по сравнению с LTE они обеспечат стократное увеличение скорости передачи данных и тысячекратный рост пропускной способности.

Требования

- Безопасность для здоровья человека
- Энергетическая эффективность
- Качество связи Отклик (задержка) соединения - менее 5 мс.

Тема 5. Современные информационные технологии для транспорта - искусственный интеллект, объемная графическая (голографическая) память - 2 часа

План занятия:

1. Искусственный интеллект

2. Объемная (голографическая память)

Иску́сственный интелле́кт ( ИИ , англ. Artificial intelligence, AI ) - наука и технология создания интеллектуальных машин, особенно интеллектуальных компьютерных программ. ИИ связан со сходной задачей использования компьютеров для понимания человеческого интеллекта, но не обязательно ограничивается биологически правдоподобными методами.

В философии не решён вопрос о природе и статусе человеческого интеллекта. Нет и точного критерия достижения компьютерами «разумности», хотя на заре искусственного интеллекта был предложен ряд гипотез, например, тест Тьюринга или гипотеза Ньюэлла - Саймона. Поэтому, несмотря на наличие множества подходов как к пониманию задач ИИ, так и созданию интеллектуальных информационных систем, можно выделить два основных подхода к разработке ИИ:

нисходящий (англ. Top-Down AI), семиотический - создание экспертных систем, баз знаний и систем логического вывода, имитирующих высокоуровневые психические процессы: мышление, рассуждение, речь, эмоции, творчество и т. д. ;
восходящий (англ. Bottom-Up AI), биологический - изучение нейронных сетей и эволюционных вычислений, моделирующих интеллектуальное поведение на основе биологических элементов, а также создание соответствующих вычислительных систем, таких как нейрокомпьютер или биокомпьютер.

Можно выделить два направления развития ИИ:

решение проблем, связанных с приближением специализированных систем ИИ к возможностям человека, и их интеграции, которая реализована природой человека (см. Усиление интеллекта) ;
создание искусственного разума, представляющего интеграцию уже созданных систем ИИ в единую систему, способную решать проблемы человечества (см. Сильный и слабый искусственный интеллект) .

В настоящий момент в области искусственного интеллекта наблюдается вовлечение многих предметных областей, имеющих скорее практическое отношение к ИИ, а не фундаментальное.

Объёмная опти́ческая (голографическая) па́мять - это разновидность компьютерной памяти, в которой информация может быть записана и считана в трёхмерном пространстве (а не в привычной двумерной плоскости как, например, в компакт-дисках) .

Такой способ хранения информации потенциально способен позволить записывать на диски, сопоставимые по размерам с компакт дисками, порядка терабайта данных. Чтение и запись файлов достигается фокусировкой лазера в объёме. Однако, поскольку структура данных имеет объёмный характер, луч лазера должен проходить сквозь другие точки данных для достижения области, где необходимо произвести чтение или запись. Таким образом, требуется своего рода нелинейность, чтобы эти данные не мешали достичь желаемой точки.

Тема 6. Современные информационные технологии для транспорта - квантовый компьютер, оптический компьютер - 2 часа

План занятия:

1. Квантовый компьютер

2. Оптический компьютер

Квантовый компьютер - вычислительное устройство, работающее на основе квантовой механики. Квантовый компьютер принципиально отличается от классических компьютеров, работающих на основе классической механики.

Полноценный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, сама возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; эта работа лежит на переднем крае современной физики.
Ограниченные (до 512 кубитов) квантовые компьютеры уже построены. Элементы квантовых компьютеров могут применяться для повышения эффективности вычислений на уже существующей приборной базе.

Первый разработанный высокоуровневый язык для такого вида компьютеров: Quipper

Необходимость в квантовом компьютере возникает тогда, когда мы пытаемся исследовать методами физики сложные многочастичные системы, подобные биологическим. Пространство квантовых состояний таких систем растет как экспонента от числа составляющих их реальных частиц, что делает невозможным моделирование их поведения на классических компьютерах уже для n = 10 . Поэтому Манин и Фейнман высказали идею построения квантового компьютера.

Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а процессы квантовой природы, так называемые квантовые алгоритмы, использующие квантовомеханические эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.

Если классический процессор в каждый момент может находиться ровно в одном из состояний $|0\rangle, |1\rangle,\ldots, |N-1\rangle$ , (обозначения Дирака) то квантовый процессор в каждый момент находится одновременно во всех этих базисных состояниях, при этом в каждом состоянии $|j\rangle$ - со своей комплексной амплитудой $\lambda_j$ . Это квантовое состояние называется«квантовой суперпозицией» данных классических состояний и обозначается как

$|\Psi\rangle=\sum\limits_{j=0}^{N-1}\lambda_j|j\rangle .$

Базисные состояния могут иметь и более сложный вид. Тогда квантовую суперпозицию можно проиллюстрировать, например, так: «Вообразите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распаду в определённый промежуток времени. Или не мог бы. Мы можем ожидать, что у этого атома есть только два возможных состояния: „распад“ и „не распад“, <…> но в квантовой механике у атома может быть некое объединённое состояние - „распада - не распада“, то есть ни то, ни другое, а как бы между. Вот это состояние и называется „суперпозицией“»

С помощью базовых квантовых операций можно симулировать работу обычных логических элементов, из которых сделаны обычные компьютеры. Поэтому любую задачу, которая решена сейчас, квантовый компьютер решит, и почти за такое же время. Следовательно, новая схема вычислений будет не слабее нынешней.

Чем же квантовый компьютер лучше классического? Большая часть современных ЭВМ работают по такой же схеме: n бит памяти хранят состояние и каждый такт времени изменяются процессором. В квантовом случае система из n кубитов находится в состоянии, являющимся суперпозицией всех базовых состояний, поэтому изменение системы касается всех 2 ⁿ базовых состояний одновременно. Теоретически новая схема может работать намного (в экспоненциальное число раз) быстрее классической. Практически (квантовый) алгоритм Гровера поиска в базе данных показывает квадратичный прирост мощности против классических алгоритмов

Главные технологии для квантового компьютера:

... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.