Організаційно-економічна частина

1

4. Організаційно-економічна частина

4.1 Науково-технічна актуальність НДР

Термоелектрика – пріоритетний напрямок розвитку науки і техніки, який заснований на прямому перетворенні теплової енергії в електричну.

Відсутність рухомих частин і можливість функціонування в екстремальних умовах забезпечують термоелектричним джерелам енергії високу надійність та практично необмежений ресурс роботи [41].

На сьогодні великий інтерес представляють термоелектричні матеріали, що володіють підвищеною ефективністю. Ці матеріали можуть перетворювати втрачене тепло (сонячна енергія, геотермальна енергія від автомобільних двигунів і т.д.) в корисну електроенергію. Ефективність матеріалів для термоелектричних застосувань визначається коефіцієнтом добротності ZT. У зв'язку з взаємозалежністю різних термоелектричних параметрів, оптимізація коефіцієнту ZT є надзвичайно складним завданням,

звичайні матеріали на основі BiSb, Bi2Te3, PbTe, SiGe мають значення ZT

менше або рівне одиниці. Протягом останніх двох десятиліть, з'єднання скутерудитів стали розглядатись в якості потенційних кандидатів для термоелектричних застосувань.

Застосування термоелектрики в побуті має великі, ще не повністю використані можливості. Термоелектричні перетворювачі енергії завдяки простоті експлуатації, надійності, довговічності, можливості простого поєднання з багатьма приладами і системами, відсутністю необхідності частого обслуговування, знайшли різноманітне застосування в побутових пристроях. Сьогодні поміж усіх напрямів термоелектрики в побуті, які можуть бути впроваджені в широке використання і характеризуватися найбільшою різноманітністю застосувань, є термоелектричне охолоджування і термоелектрична генерація енергії. Термоелектрична генерація енергії дозволяє підвищити ККД систем опалювання за рахунок

2

рекуперації теплових втрат, дозволяє створювати повністю автономні системи опалювання, продукуючи електроенергію для живлення автоматики; створювати генератори тепла і електроенергії; створювати пристрої щоденного використання, використовуватися для живлення різноманітних малопотужних споживачів енергії і, навіть, знайти альтернативу хімічним джерелам струму.

Пошук нетрадиційних джерел енергії, здатних перетворювати теплову енергію в електричну, їх робота в широкому діапазоні температур постійно ставлять питання про вивчення властивостей напівпровідників з метою покращення коефіцієнту корисної дії перетворювачів тепла .

Саме тому сучасна наука постійно шукає нові напівпровідникові композиції, і прогрес у цій галузі забезпечується не стільки теорією,

скільки практикою, з огляду на складності фізичних процесів що відбуваються в термоелектричних матеріалах.

Звичайно можна сказати, що на сьогоднішній день не існує термоелектричною матеріалу, який би в повній мірі задовольнив би промисловість своїми властивостями, і головним інструментом у створенні такого матеріалу є експеримент.

Для того, щоб вдало конкурувати на ринку, важливо отримувати матеріали досить високої якості, але чим краще якість термоелектричною матеріалу, тим вище його ціна. Отже, всі технології, які використовуються в даний час для отримання термоелектричних матеріалів, є компромісним між якістю та собівартістю. Зокрема, вивчення такі матеріалів, як CoAs3, RbAs3, CoSb3, RhSb3 і IrSb3, показав перспективність їх використання в якості термоелектриків.

Через свої високі електропровідні властивості матеріал на основі був широко розглянутий в якості потенційно нового

термоелектричного матеріалу.

Одним з основних перешкод на шляху подальшого вдосконалення його термоелектричної ефективності (ZT=S2∙Т∙σ/k, де S – коефіцієнт

3

Зеєбека, σ – електропровідність, T – температура, k - загальний коефіцієнт

теплопровідності) є зменшення відносно високої теплопровідності

(10Вт/м·К), яка не дозволяє йому конкурувати з традиційними матеріалами

Bi2Te3 (1,0-1,5 Вт/м·К) [7].

Тим не менш, ці сполуки мають специфічну граткову структуру з великим "порожнинами", розташованими у центрі елементарної комірки,

які могли б бути заповнені невеликими атомами металу. Оскільки ці

“порожнини” набагато більші (1,89 Å), ніж самі елементарні йони наповнювача і швидше за все коливаються в положенні рівноваги і, отже, не можуть породжувати істотне розсіювання фононів [8].

У роботі [9] повідомлено про Ce0.9Fe3CoSb12 і La0.9Fe3CoSb12 з

дивно низьким k яке складає 1,4 Вт/м·К і, отже, високим ZT, більш ніж 1,0.

Останнім часом широкомасштабні дослідження були проведені на CoSb3 як базового термоелектричного матеріалу з точки зору як легування і процесу синтезу. Зокрема було виявлено, що барій є дуже добрим наповнючим елементом, частка заповнення складає 44%, що вище ніж для лантану [10].

Барій як наповнювач не лише зменшує величину k, але веде до зростання σ,

що призводить до високого значення ZT у сполуці BayCo4Sb12.

У роботі [11] проведено систематичне вивчення систем RyMxCo4- xSb12 (R = Ce, Ba, Y, M = Fe, Ni) n-типу. Встановлено що Ce0.28Fe1.5Co2.5Sb12

р-типу має значення ZT більші від 1,1 при 750 К, а Ba0.30Ni0.05Co3.95Sb12 n- типу – ZT складає 1,25 при 900 К. З практичної точки зору,

термоелектричний матеріал n-і р-типу, повинні мати аналогічні механічні та теплові властивості для того, щоб звести до мінімуму ймовірність відмови роботи пристроїв через теплове перевантаження. CoSb3 з цього погляду добрий матеріал для середніх температур, тому що обидві вітки n-і р-типу з високою ефективністю можна отримати в тій же матриці. Важливими слід вважати теоретичні і експериментальні роботи присвячені і пов’язані з вивченням заповнення порожнин скутерудитів [12]. Виявлено, що межі наповнення пов'язані із різницею електронегативностей між

4

електронегативністю сурми і наповнючим елементом (R). Теоретичні розрахунки, показали що лужні елементи могли б займати ці позиції з високою часткою заповнення. Ця ідея була успішно реалізована калієм для CoSb3 [13]. Досягнуто значення ZT=1,0 при 800 K у сполуці K0.38Co4Sb12. Останнім часом отримано прорив у виробництві нанокомпозитів скутерудитів за допомогою методу охолодження розплаву для впровадження індію та церію спільно у структуру CoSb3 [14]. Для таких структур ZT=1,43 при 800 К. Значення k для наповнених скутерудитів набагато нижче, ніж у незаповнених скутерудитах, але все ж значно вище,

ніж у сполуках Bi2Te3.

Приймаючи до уваги все вище сказане, можна зробити висновок, що для отримання більш високих значень термоелектричної ефективності ZT

перспективним матеріалом вважається антимонід - CoSb3 (скутерудит) [15].

Можливість збільшення ZT до 2 за рахунок зменшення теплопровідності пов`язується з використанням нанорозмірних матеріалів з підвищеною дефектністю структур, таких як наноплівки. Робота термоелектричних пристроїв в значній мірі залежить від мікроструктури, властивостей і стабільності тонких плівок, нанесених на відповідні підкладинки [16].

Оскільки високі робочі температури з частими циклами нагрівання або охолодження призводять до зміни структурного стану, деформацій, появи тріщин і наступного руйнування, актуальними являються дослідження по мінімізації процесів руйнування і підвищенню експлуатаційної надійності плівок на основі CoSb3 як функціональних елементів термоелектрики.

Встановлення взаємозв’язку між фазовим складом, структурою нанорозмірних плівок на базі CoSb3 і залишковими механічними напруженнями являється актуальним завданням.

5

4.2 Мета науково-дослідницької роботи та її техніко-економічне обґрунтування

Вище викладене свідчить про актуальність дослідження напруженого стану в нанорозмірних плівках СоSbх (30 нм) (1,82<х<3,53) осаджених на підкладинках SiO2(100 нм)/Si(001) при кімнатній температурі, після відпалу в вакуумі не нижче 10-3Па.

Дослідження, що проводяться в даній роботі, мають пошуковий та теоретичний характер. Відповідно з цим прямий розрахунок очікуваного річного економічного ефекту надзвичайно складний, оскільки відсутні повні дані відносно сфери використання результатів роботи, а також вихідні дані для розрахунку єдиночасних та поточних витрат. У такому випадку слід використовувати бальну систему оцінки економічної ефективності за наступними показниками :

1)важливість розробки;

2)можливість використання результатів;

3)теоретичне значення та рівень новизни дослідження;

4)складність розробки.

Частку сумарного річного економічного ефекту, що утвориться за кожною з перелічених шкал, позначають умовно відповідним номеру шкали коефіцієнтом (К1, К2, К3, К4). Наведемо докладніше систему оцінки за кожною шкалою. Першою розглянемо шкалу важливості розробки.

Коефіцієнт К1 може приймати наступні значення:

1)ініціативна робота, яка не входить до складу комплексної програми та не є завданням директивних органів - 1 бал;

2)робота виконується за угодою про науково-технічне співробітництво - 3 бали;

3)робота являє собою частину відомчої програми - 5 балів;

4)робота являє собою частину комплексної міжвідомчої програми з елементами впровадження результатів - 7 балів;

6

5) робота є частиною міжнародної комплексної програми - 8 балів.

Коефіцієнт К2 може приймати такі значення:

1)результати розробки можна використати тільки в даному підрозділі - 1 бал;

2)результати розробки можуть бути використані тільки однією організацією - 3 бали;

3)результати розробки можуть бути використані багатьма організаціями - 5 балів.

4)результатами розробки можуть користуватися споживачі в межах однієї галузі - 8 балів;

5)результатами розробки можуть користуватися споживачі в різних галузях - 10 балів.

Коефіцієнт К3 може приймати такі значення:

1)робота являє собою аналіз, узагальнення або класифікацію відомої інформації, подібні результати раніше були відомі в досліджуваній галузі

- 2 бали;

2)під час виконання роботи отримана нова інформація, яка доповнює уявлення про сутність досліджуваних процесів - 3 бали;

3)внаслідок виконання роботи отримана нова інформація, яка частково змінює уявлення про природу досліджуваних процесів - 5 балів;

4)внаслідок виконання НДР створені нові теорії, методики або що-

небудь подібне - 6 балів;

5)отримана інформація формує принципово нові уявлення, які не були відомі раніше - 8 балів.

Коефіцієнт К4 може приймати такі значення:

1)роботу виконує один підрозділ, витрати до 1000 гривень - 1 бал;

2)роботу виконує один підрозділ, витрати від 1000 до 5000 гривень - 3 бали;

3)роботу виконує один підрозділ, витрати від 5000 до 10000 гривень - 5

балів;

7

4)робота виконується багатьма підрозділами, витрати від 10000 до 50000

гривень - 7 балів;

5)робота виконується багатьма організаціями, витрати більше 50000

гривень - 9 балів.

Бальна оцінка економічної ефективності даної науково-дослідної роботи наведена у таблиці 4.1.

9

Отримана розрахункова величина коефіцієнта економічної ефективності НДР (ЕНДР = 3,87) свідчить про доцільність виконання даної роботи.

4.3Розрахунок планової кошторисної вартості НДР

Кошторисна вартість НДР є важливим показником роботи для науково-дослідницької установи або її підрозділу. Планова кошторисна вартість НДР визначається у відповідності з наступними калькуляційними статтями видатків:

1)заробітна плата науково-виробничого персоналу ;

2)єдиний соціальний внесок;

3)вартість матеріалів та напівфабрикатів, необхідних для виконання

НДР;

4)вартість спеціального обладнання і приладів, що придбані саме для виконання даної НДР;

5)роботи і послуги сторонніх організацій;

6)витрати на службові відрядження;

7)інші прямі невраховані витрати;

8)накладні витрати.

4.3.1 Визначення заробітної плати науково-виробничого

персоналу

Розрахунок заробітної плати науково-виробничого персоналу базується на визначенні трудомісткості робіт окремих виконавців та їхньої денної заробітної плати (враховуючи кількість виконавців, їхню кваліфікацію і завантаженість роботою на різних етапах НДР).

У виконанні нашої НДР приймали участь чотири виконавці:

провідний науковий співробітник, старший науковий співробітник, інженер

10

І категорії та технік. Для НТУУ "КПІ" тарифні ставки сумарної місячної заробітної плати складають:

провідного наукового співробітника - 3600 грн.;

старшого наукового співробітника - 3100 грн.;

інженера-дослідника - 2195 грн.;

Денна заробітна плата кожного з виконавців визначається як місячна заробітна плата, поділена на середню кількість днів у місяці, що при п'ятиденному робочому тижні становить 21,2. Таким чином, величина денної заробітної плати виконавців складає:

для провідного наукового співробітника – 169,81 грн.;

старшого наукового співробітника – 146,23 грн.;

наукового співробітника – 103,54 грн.;

У випадку відсутності відповідних розрахункових методик трудомісткість різних етапів виконання НДР встановлюється на базі експертних оцінок, які дають провідні фахівці. Результати експертної оцінки трудомісткості етапів НДР наведені в табл. 4.2.

Таблиця 4.2 - Трудомісткість етапів виконання НДР