Введение
Аппараты искусственной вентиляции лёгких (ИВЛ) находят всё более широкое применение при оказании помощи больным с различными формами лёгочных заболеваний. Для надёжной работы ИВЛ необходимо наличие стационарного или передвижного источника энергии для привода в действие компрессора и электронного блока управления. По ГОСТ Р 50444–92 «Приборы, аппараты и оборудование медицинские» мощность источника энергии должна превышать средний уровень потребляемой мощности на 15–25%, что связано в первую очередь с необходимостью обеспечения пусковых токов для электроприводных устройств, работающих в нестационарном режиме [1].
Особенностью работы аппарата искусственной вентиляции лёгких является требование надёжной, непрерывной и длительной работы в заданном режиме, что накладывает соответствующие требования к источнику энергии. Особенно остро эта проблема стоит в условиях полевой медицины или на удалённых территориях, не имеющих централизованного энергоснабжения. Для этого большинство аппаратов ИВЛ имеют возможность питания от передвижных энергоустановок, бортовой сети транспортных средств и резервной аккумуляторной батареи (АКБ). Однако длительная бесперебойная работа от указанных источников приводит к значительному расходу топлива, а также ограничивается непосредственно ресурсом энергоустановок.
Особенности работы аппарата ИВЛ «Фаза-21»
Для рассмотрения возможности длительной (не ограниченной по времени) бесперебойной работы ИВЛ от системы фотоэлектрического питания были выполнены экспериментальные исследования энергопотребления ИВЛ «Фаза-21», разработанного и серийно выпускающегося Уральским приборостроительным заводом (УПЗ, город Екатеринбург) [2]. Аппарат ИВЛ «Фаза-21» предназначен для искусственной вентиляции лёгких в стационарах, транспортных средствах и на дому.
Компактный вентилятор с микропроцессорным управлением и встроенным компрессором низкого давления могут использоваться при низком давлении кислорода и напряжении в электросети 190–250 В переменного тока, 12 и 27 В постоянного тока бортового питания автомобиля, самолёта, вертолёта.
Аппарат обеспечивает широкий диапазон режимов вентиляции, позволяющий изменять объём вентиляции от 0,6 до 30 л/мин. В составе аппарата имеется встроенный аккумулятор, обеспечивающий работу в течение четырёх часов.
Фото 1. Аппарат ИВЛ «Фаза-21»
Общий вид аппарата ИВЛ «Фаза-21» и его технические характеристики приведены на фото 1 и в табл. 1. Результаты экспериментальных исследований энергопотребления данного аппарата для разных режимов работы при питании от стационарного источника постоянного тока напряжением 12 В приведены на рис. 1.
Очевидно, что энергопотребление характеризуется периодично изменяющейся величиной, задаваемой объёмом и ритмом дыхания. При выбранном типе питания значения тока изменялись в диапазоне от 0,1 до 8 А. Отметим, что данные, приведённые на рис. 1, не учитывают особенности электропитания, связанные с нестационарностью работы аппарата, и характеризуют лишь среднее потребление электроэнергии, влияющее на выбор источника подпитки буферной АКБ. С учётом особенностей энергопотребления аппарата предложена схема (рис. 2), включающая буферный накопитель энергии (АКБ) и позволяющая при ограниченной мощности системы фотоэлектрической подпитки обеспечить устойчивую работу аппарата в широком диапазоне изменения потребляемого тока.
Рис. 1. Изменение потребляемой мощности при работе «Фаза-21» Рис. 2. Блок-схема системы ФВ-питания аппарата ИВЛ
Описание эксперимента
В летний период 2020 года были проведены экспериментальные исследования энергетических характеристик системы фотоэлектрического питания аппарата искусственной вентиляции лёгких на базе высокоэффективных гибких фотоэлектрических преобразователей компании Uni-Solar (Китай).
Моделирование электрических нагрузок на постоянном токе, в диапазоне мощностей требуемых для работы аппарата ИВЛ производилось нагружением ФЭС электролампами (имитаторами нагрузки ИВЛ) в диапазоне от 5 до 100 Вт. Исследование фотоэлектрических преобразователей производилось на территории Свердловской области в 20 км от города Екатеринбурга. Территория, где проводилось тестирование, расположена 56°44ʹ22ʺ N, 61°3ʹ33ʺ E.
Экспериментальная установка представляет собой подложку из ОСП на усиленной деревянной раме, на которую наклеена гибкая солнечная панель на специальной клеевой подложке (фото 2).
Фото 2. Экспериментальная установка
Дополнительно панель зафиксирована по периметру металлическими зажимами с шагом 60 см. ФЭП производства Uni-Solar изготовлена из аморфного кремния. Размеры панели — 5000×390 мм (20 ячеек с размерами 356×239 мм), номинальная мощность панели — 144 Вт, номинальное выходное напряжение — 24 В, паспортный КПД составляет 14%. Солнечная панель стационарно ориентирована на юг под углом наклона 60°.
Производитель отмечает такие преимущества панели, как небольшой вес, гибкость конструкции, возможность установки на кровле, не нарушая гидроизоляционный слой, высокая производительность при частичном затенении и высоких температурах.
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема экспериментальной установки
Контроллер заряда (поз. 10 на рис. 3) Delta SolarSeries серии MPPT2420 (Maximum Power Point Tracking — слежение за точкой максимальной мощности) может следить за мощностью генерации солнечного модуля и отслеживать максимальные напряжения и ток в режиме реального времени, что позволяет системе заряжать аккумулятор с максимальной мощностью. Благодаря технологии двухпикового или многопикового слежения контроллер отслеживает максимальную точку мощности, что позволяет повысить эффективность использования энергии фотоэлектрических систем [3].
К разъёмам 3 и 4 подключена солнечная панель (поз. 9) и мультиметр (поз. 8), к разъёмам 1 и 2 аккумулятор (поз. 11, 14 В), а к разъёмам 5 и 6 — нагрузка (поз. 12). К разъёму 7 подключён внешний термодатчик (поз. 13) — рис. 3.
Были произведены измерения напряжений и тока для следующих случаев:
- без нагрузки (холостой ход);
- с лампой мощностью 5 Вт (12 В);
- с лампой мощностью 10 Вт (12 В);
- с лампой мощностью 20 Вт (12 В);
- с лампой мощностью 40 Вт (36 В);
- с лампой мощностью 100 Вт (12 В).
Измерения производились 26 июля при переменной облачности и 7 августа при ясном небе (фото 3). При подключении к фотоэлектрическому преобразователю нагрузки мощностью 100 Вт 26 июля наблюдалось снижение заряда АКБ спустя две-три минуты после включения лампы. Суммарная солнечная радиация в период измерений с 12:00 до 13:00 составила 117,66 Вт/м².
Фото 3. Два состояния неба, при которых производились измерения
При такой же нагрузке в 100 Вт 7 августа заряд АКБ по истечении десяти минут измерений тока и напряжения остался равным 100%, но при этом в течение двух минут заряд АКБ опустился до 90–95%.
Суммарная солнечная радиация в период измерений с 11:00 до 12:00 составила 644,57 Вт/м².
Рядом с экспериментальной установкой на участке установлена с той же ориентацией и углом наклона к горизонту солнечная панель на основе монокристаллического кремния мощностью 150 Вт, с номинальным выходным напряжением 12 В. Паспортный коэффициент полезного действия — 13% (рис. 4). В течение всего дня в период с 09:00 до 21:007 августа производились замеры тока короткого замыкания Iкз (рис. 5) и напряжение холостого хода Uхх (рис. 6) для двух ФЭП на основе аморфного и монокристаллического кремния.
Рис. 4. Ток короткого замыкания ФЭП на основе аморфного/монокристаллического кремния
На рис. 7 показано произведение тока короткого замыкания и напряжения холостого хода для разных панелей.
В ходе эксперимента были получены предельные значения коэффициентов полезного действия для фотоэлектрических преобразователей на основе аморфного и монокристаллического кремния.
Коэффициенты полезного действия для разных ФЭП определяются как отношение выработанной энергии к поступившей на их поверхность солнечной радиации (рис. 5):
Рис. 5. Напряжение холостого хода фотоэлектрического преобразователя
Рис. 6. Произведение напряжения и тока короткого замыкания разных ФЭП
Рис. 7. Выработка энергии ФЭП на основе аморфного и монокристаллического кремния
Кривые изменения коэффициента полезного действия в период с 11:00 до 15:00 для ФЭП на основе аморфного и монокристаллического кремния показаны на рис. 6.
Экспериментальные установки позволили проанализировать и сравнить ток короткого замыкания и напряжение холостого хода для разных ФЭП при изменении угла наклона к горизонту.
На рис. 7 показаны кривые зависимости IкзUхх от положения панелей.
Из полученных данных можно сделать вывод, что при изменении угла наклона для обоих ФЭП IкзUхх меняется практически одинаково:
- для аморфной панели
- для монокристаллической
Заключение
Экспериментальные исследования показали, что для питания аппаратов искусственной вентиляции лёгких возможно использование фотоэлектрических преобразователей на основе как аморфного, так и монокристаллического кремния. Однако такие преимущества гибких фотоэлектрических преобразователей третьего поколения, как высокая эффективность, малый вес, компактность установки и более низкая стоимость в сравнении с монокристаллическими ФЭП одинаковой мощности, позволяют осуществить широкое применение ФЭП для питания мобильных аппаратов ИВЛ [4, 5]. В условиях современной санитарно-эпидемиологической обстановки мобильные решения питания особенно актуальны.
Рис. 8. Коэффициент полезного действия для ФЭП на основе аморфного/монокристаллического кремния в период с 11:00 до 15:00
Рис. 9. Зависимость произведения напряжения и тока короткого замыкания разных ФЭП от угла наклона к горизонту
