Пристрої молекулярної енергетики нового покоління
Спеціальність: Прикладна фізика
Код дисципліни: 7.105.01.E.016
Кількість кредитів: 5.00
Кафедра: Прикладна фізика і наноматеріалознавство
Лектор: к.т.н. Балабан Оксана Василівна
Семестр: 2 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Завдання навчальної дисципліни відповідно до освітньої програми (окрім дисциплін вільного вибору)-дисципліна за вибором
Результати навчання: РН1 ЗН1. Знання фізичної природи явищ оточуючого світу, фізичних властивостей речовин у різних агрегатних станах, вплив зовнішнього середовища на процеси та стан складних систем;
РН2 ЗН2. Знання теоретичного опису властивостей та процесів, які відбуваються у речовині, побудови адекватних моделей та прогнозування поведінки різних фізичних об’єктів;
РН3 ЗН3. Знання теоретичних та практичних аспектів основних технологічних способів одержання та оброблення речовин для забезпечення потрібних властивостей матеріалів і виробів;
РН4 ЗН6. Знання екологічних чинників для оцінювання шкідливих наслідків використання обраних технологій та матеріалів
РН5 ЗН7. Знання основних методів математичних розрахунків та аналізу, розв’язування задач та отримання аналітичних залежностей та чисельних значень;
РН6 ЗН8. Знання технічних характеристик типових та нестандартних вимірювальних систем, володіння методикою постановки фізичного експерименту;
РН7 ЗН10. Знання основних методів зменшення енергоспоживання та доцільності використання нетрадиційних джерел енергії у розроблюваних технологічних схемах та конструкціях;
РН8 УМ2. Застосовувати знання та набуті навички для розв’язання якісних та кількісних задач при виконанні робіт науково-дослідницької тематики та в умовах реального виробництва;
РН9 УМ5. На основі фізичних законів і відомих фактів дати якісну фізичну інтерпретацію результатів експериментальних вимірювань;
РН10 УМ7. Оцінювати, інтерпретувати вихідні дані для синтезу нових матеріалів та виробів, технологічних процесів;
РН11 УМ9. Працювати на сучасній комп’ютерній техніці та використовувати спеціалізоване програмне забезпечення для проектування, моделювання та розрахунку основних фізичних властивостей досліджуваних об’єктів та технологічних режимів;
РН12 УМ11. Оцінювати механічні, технологічні, фізичні властивості, структуру та фазовий склад досліджуваних чи одержуваних речовин і матеріалів з використанням сучасних технічних засобів та методик;
РН13 УМ12. Представляти результати досліджень у формі звітів, рефератів, публікацій і презентацій;
РН14 УМ15. Користуватись першоджерелами наукових та культурних досягнень світової цивілізації;
РН15 КОМ1. Уміння спілкуватись, включаючи усну та письмову комунікацію українською та іноземною мовами (англійською, німецькою, італійською, французькою, іспанською);
РН16 КОМ2. Здатність використання різноманітних методів, зокрема сучасних інформаційних технологій, для ефективно спілкування на професійному та соціальному рівнях.
РН17 АіВ1. Здатність усвідомлювати необхідність навчання впродовж усього життя з метою поглиблення набутих та здобуття нових фахових знань;
РН18 АіВ2. Здатність відповідально ставитись до виконуваної роботи, самостійно приймати рішення, досягати поставленої мети з дотриманням вимог професійної етики;
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Попередні навчальні дисципліни:
Хімія
Фізика твердого тіла
Імпедансна спектроскопія
Супутні і наступні навчальні дисципліни
Функціональні матеріали молекулярної енергетики
Наноматеріалознавство
Фізичні основи енергоощадності
Короткий зміст навчальної програми: Процес викладання дисципліни передбачає послідовне висвітлення наукових основ процесів генерування і накопичення енергії різноманітної природи: фарадеєвських дальтонітної, бертолітної, клатратної і ємнісної, на основі як класичного, так і квантово-статистичного підходів. Виходячи з цього обгрунтовуються базові принципи сучасних технологічних підходів для формування відповідних активних конфігурацій пристроїв. В цьому ракурсі значна увага надається техніці експерименту, висвітленню фізичних механізмів струмоутворюючих процесів, порівняння з відомими аналагоми.
Далі, розглядаються фізичні механізми перетворення сонячної енергії в електричну та способи її акумулювання «in situ». Значна увага приділяється такій новій галузі знань як фотоінтеркаляція і неорганічний фотосинтез та їх застосування в молекулярній енергетиці.
На завершення систематизуються і узагальнюються найновіші тенденції щодо пошуку нових, неелектрохімічних способів генерування і накопичення електричної енергії, таких як електретні і фотоелектретні наногенератори, квантові акумулятори, спінові конденсатори.
Опис: Вступ
Місце і роль автономних пристроїв генерування, перетворення та накопичення енергії в повсякденному житті людини та у вирішенні енергетичної та екологічної кризи. Історія розвитку. Насущна проблематика.
Пристрої молекулярної енергетики з дальтонітним типом струмоутворюючих реакцій.
Принципи роботи та термодинаміка елементів. Класифікація гальванічних джерел з дальтонітним типом струмоутворюючих реакцій. Основні засади їх технології та функціональні характеристики. Паливні елементи. Принципові недоліки пристроїв генерування та акумулювання енергії зазначеного типу.
Пристрої молекулярної енергетики з бертолітним типом струмоутворюючих реакцій.
Процеси електрохімічної інтеркаляції: термодинаміка та кінетика. Принципові переваги струмоутворюючих топохімічних реакцій бертолітного типу. Головний концептуальний базис створення інтеркаляційних джерел струму. Літієві джерела живлення (історія розвитку, технологія виготовлення, функціональні характеристики). Магнієві джерела живлення. Елементи конфігурації «подвійно-матричні системи».
Конденсатори і молекулярні накопичувачі енергії
Накопичення заряду і енергії в конденсаторних системах з діелектриком. Подвійний електричний шар і фізико-хімічні процеси в ньому. Молекулярні накопичувачі енергії (історія розвитку, технологія виготовлення, функціональні характеристики, застосування). Псевдоємність і редокс-конденсатори. Конденсаторні енергетичні установки та конденсаторні системи запуску двигунів внутрішнього згоряння.
Системи перетворення та акумулювання сонячної і теплової енергії.
Напівпровідникові фотоелементи та їх експлуатаційні параметри. Електрохімічні системи для перетворення сонячної енергії (принцип роботи, функціональні можливості), інтеркаляційні фотоакумулятори. Принцип роботи та технологія фотоконденсаторів. Концептуальні підходи до пристроїв перетворення та акумулювання енергії в інфрачервоній частині спектру.
Функціонально-гібридні системи.
Елементи, що поєднують функціональні властивості гальванічного елемента та молекулярного накопичувача енергії. Системи з гібридною псевдофарадеєвською гіперємністю. Принципи технології акумуляторів зі здатністю підзарядки від сонячного світла. Гібридні евантівські конденсатори.
Наноструктуровані пристрої генерування, перетворення та накопичення енергії. Квантові акумулятори і спінові конденсатори.
Електроди і пристрої на базі міжшарових сполук впровадження. Наноструктури електретних генераторів. Наноконденсатори. Нанофотоакумулятори. Фізичні основи і технологічні підходи до створення квантових акумуляторів і спінових конденсаторів.
Методи та критерії оцінювання: Поточний контроль (40%): усне опитування, презентації на семінарах, контрольні роботи, індивідуальні письмові роботи. - Випускний тест (60%): іспит.
Критерії оцінювання результатів навчання: Порядок та критерії виставляння балів та оцінок:
Теоретичні питання мають на меті перевірку навичок студентів щодо розуміння теоретичного матеріалу. Відповідь по-можливості має бути повною та аргументованою.
• Максимальну кількість балів (мкб) за питання отримує студент, що повністю висвітлив питання;
• 70-90 % від мкб – питання в цілому висвітлене, але є незначні неточності або інші недоліки;
• 50-70 % від мкб – відповідь на питання дано не в повному обсязі і/або є суттєві помилки;
• 30-50 % від мкб– зроблена спроба відповісти на питання, але зроблено грубі помилки і/або питання в цілому не висвітлене. Такої ж оцінки заслуговуватиме студент, якщо він робить неправильні висновки на основі логічних припущень, що містять правильні міркування;
• 10-30 % від мкб– зроблена невдала спроба відповісти на питання, лише окремі міркування і /або формули є вірними;
• 0 балів – жодна з записаних формул не має стосунку до даного питання, всі міркування є помилковими, або цілковито відсутні.
Задачі мають на меті перевірку навичок студентів у практичному розв’язуванні фізичних задач. Задачі потрібно розв’язати з максимально можливим поясненням і, якщо в цьому є потреба, з рисунком.
• максимальну кількість балів (мкб) отримує студент, що повністю розв’язав задачу;
• 70-90 % від мкб виставляється за розв’язану задачу, в якій є незначні неточності;
• 50-70 % від мкб – при розв’язанні допущено помилку(и), що вплинуло на результат, але підхід до розв’язання був правильним;
• 30-50 % від мкб – зроблена спроба розв’язати задачу, але зроблено грубі помилки і результат невірний;
• 10-30 % від мкб – зроблена невдала спроба розв’язати задачу і записано одна або кілька правильних формул, що мають відношення до даної задачі;
• 0 балів – жодна з записаних формул не має відношення до даної задачі, або студент навіть не зробив спроби розв’язати запропоновану задачу.
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: 1. Modern battery technology / Ed. Tuck C. D. S. - New - York : Ellis Horwook, 1991. - 579 p.
2. Григорчак І. І. Молекулярні накопичувачі енергії: основні засади та новітні напрямки технологій //Фіз. і хімія тв. тіла.–2002.–Т. 3.– № 14. – С. 7– 25
3. Grygorchak, I. I. New materials for „quantum” storage of electric power / I. I. Grygorchak, B. A. Lukiyanets, O. V. Balaban, T. M. Bishchaniuk, R. Ya. Shvets // Materials science in semiconductor processing. – 2014. – V. 26. – P. 690–694.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).