در حال بررسی...توسعه و فناوری میکروتوربین‌ها
میکروتوربین‌ها به‌عنوان ماشین‌های تولید توان محبوب در بسیاری از سامانه‌های انرژی مانند سامانه‌های توزیع‌شده، تقویت و پشتیبانی شبکه، تولید توان خورشیدی، پیل سوختی و واحدهای تامین توان مستقل، موردتوجه قرار گرفته‌اند. ویژگی‌های خاص این ماشین‌ها شامل سازگاری بالا با سوخت، آلایندگی کم، ساختار انعطاف‌پذیر و تعمیر و نگهداری آسان است، اما تنها به این ویژگی‌ها محدود نمی‌شوند. در طول ۲۰ سال گذشته، انواع مختلفی از میکروتوربین‌ها توسعه داده شده‌اند.
فناوری‌های کلاسیک و آینده‌نگر در طراحی و تولید میکروتوربین‌ها و اجزای آن‌ها بکار گرفته شده‌اند. در میان آن‌ها، ساختار جریان کاملا شعاعی، یاتاقان‌ها روغن‌کاری‌شده با گاز و مبدل حرارتی ریکاپراتورهای کارآمد، رویکردهای معمولی برای افزایش عملکرد کلی هستند. با این حال، بهره‌برداری از مواد مبتنی بر سرامیک و الگوریتم‌های هوشمند در طراحی اجزا نیز می‌تواند به بهبود عملکرد کمک کند. کاربردهای میکروتوربین‌ها در بسیاری از زمینه‌ها گسترش یافته و تحقیقات بر روی اجزای مرتبط نیز پیشرفت زیادی داشته‌است.
در این نوشتار، بررسی جامعی از میکروتوربین‌ها ارائه شده که وضعیت توسعه، برنامه‌های کابردی، عوامل عملکردی و کاوش‌های اجزای این ماشین‌ها را پوشش می‌دهد. برخی از تحقیقات در مورد ویژگی‌های میکروتوربین‌های تجاری نیز انجام شده‌است. کاربرد این ماشین‌ها در انرژی توزیع‌شده، تقویت و پشتیبانی شبکه، سامانه‌های خورشیدی و سامانه‌های پیل سوختی به طور مشخص معرفی شده‌اند.
” بخوانید: نگاهی به ارزش بازار میکروتوربین از سال ۲۰۲۱ تا ۲۰۳۰ “
تنوع در حال افزایش انرژی و منابع برای حفظ فعالیت‌های انسانی، نگرانی فزاینده‌ای را در سراسر جهان در زمینه توسعه ساختار اجتماعی و اقتصادی روزآمد به خود جلب کرده‌است. بهره‌برداری گسترده از سوخت‌های فسیلی، ناپایداری انرژی را در پی دارد و روی محیط زیست تاثیر می‌گذارد. کاهش مصرف غیرضروری در سامانه انرژی به توسعه پایدارتر کمک خواهد کرد. ساختار سنتی انرژی دارای ویژگی‌های ظاهری عرضه متمرکز است که باعث تلفات غیرضروری و اتلاف اقتصادی در انتقال انرژی می‌شود. بنابراین، سامانه‌های انرژی در مقیاس کوچک با انتشار آلایندگی کم، عموما به‌عنوان رویکردهای بهینه‌سازی مکمل تشویق می‌شوند و تقاضاهای جدیدی در سامانه‌های انرژی توزیع‌شده ایجاد می‌شوند.
سامانه انرژی توزیع‌شده که عرضه بر حسب تقاضا و استفاده از گرادیان انرژی را فراهم می‌کند، از زمانی که در پایان قرن بیستم پیشنهاد شد به سرعت در سراسر جهان توسعه یافته‌است. دستگاه تولید توان متعارف مانند موتور احتراق داخلی، قادر به پاسخگویی به تقاضا برای سوخت‌های متنوع و استانداردهای انتشار موردنیاز توسط سامانه انرژی توزیع‌شده نبود.
بنابراین، می‌توان میکروتوربین با محدوده توان مناسب را یکی از گزینه‌های جایگزین در نظر گرفت. بر اساس ویژگی‌های احتراق چرخه برایتون در حضور فشار بالا، میکروتوربین‌ها سازگاری خوبی با خواص مختلف سوخت دارند. هر دو مقدار حرارت کم و زیاد سوخت‌های گازی یا مایع می‌توانند عملکرد احتراق مناسبی را ارائه دهند. با فناوری احتراق پیشرفته، انتشار آلایندگی میکروتوربین‌ها نیز می‌تواند به سطح پایینی برسد.
علاوه بر این، میکروتوربین‌ها همچنین دارای پتانسیل‌های توسعه قابل‌توجهی برای منابع انرژی آماده به کار، منابع انرژی سیار، مراکز تولید توان جدید، درایوهای مکانیکی و افزایش‌دهنده برد برای حمل و نقل هستند. با این دیدگاه، عملکرد و توسعه میکروتوربین در سال‌های اخیر موردتوجه گسترده‌ای قرار گرفته‌است.
میکروتوربین‌ها نوعی از توربین گاز با سطوح توان تا ۵۰۰ کیلووات را ارائه می‌دهند. یک میکروتوربین معمولی از یک کمپرسور، یک محفظه احتراق و یک توربین تشکیل شده‌است. همچنین، میکروتوربین‌های روزآمد با کارایی بالا معمولا به ریکاپراتورهایی برای بازیابی گرمای هدررفته مجهز هستند. شکل ۱a، یک مجموعه ژنراتور میکروتوربین معمولی را نشان می‌دهد. جریان هوا از ورودی، پروانه کمپرسور، گذرگاه سرد ریکاپراتور، محفظه احتراق، پروانه توربین و گذرگاه گرم ریکاپراتور عبور کرده و سپس خارج می‌شود.
بر اساس این فرآیند، شکل ۱b یک نمایش شماتیک از چرخه میکروتوربین را نشان می‌دهد. هوای محیط در کمپرسور فشرده شده و به هوای پرفشار تبدیل می‌شود و در ریکاپراتورهای گرم می‌شود، جایی که گرمای تلف‌شده گاز خروجی بازیابی می‌شود. سپس هوا وارد محفظه احتراق می‌شود و می‌سوزد و در دمای بالا گاز پرفشاری را تشکیل می‌دهد. گاز توربین را تحت تاثیر قرار می‌دهد و کمپرسور و ژنراتور را به حرکت درمی‌آورد.
شکل ۱a و ۱b
جهت توسعه فعلی میکروتوربین‌ها هم‌راستا با بهبود کارایی و ساده‌سازی ساختار آن‌ها است. افزایش دمای ورودی توربین و کاهش اتلاف قطعات، راه‌های موثری برای افزایش بهره‌وری هستند. ساده‌سازی ساختار و استفاده از مواد سبک‌وزن نیز می‌تواند فشردگی میکروتوربین‌ها را افزایش داده و آن‌ها را برای طیف متنوعی از کاربردها انعطاف‌پذیر کند.
ساختار و عملکرد میکروتوربین‌ها برای چندین دهه پس از اولین ظهور آن‌ها به طور فزاینده‌ای بهبود یافته‌است. تاکنون چندین شرکت محصولات مرتبط را عرضه کرده‌اند. فرآیند توسعه و عملکرد اصلی میکروتوربین‌ها به طور جامع در این بخش توضیح داده شده‌است.
توسعه میکروتوربین‌ها
فناوری توربین گاز از زمانی که هولز اولین توربین گاز ۳۷۰ کیلوواتی را دهه ۱۹۲۰ توسعه داد، جذاب شد. تحقیق اولیه با هدف افزایش سطح توان انجام شد. توربین‌های گازی کوچک و در مقیاس میکرو که برای کاربردهای کم‌مصرف طراحی شده بودند، اولین بار در دهه ۱۹۵۰ در بازار حضور پیدا کردند. در ابتدا، میکروتوربین‌ها به‌عنوان موتور خودروها و دستگاه‌های منبع تغذیه کمکی برای محصولات نظامی طراحی شدند.
در دهه ۱۹۹۰، با معرفی و استفاده از انرژی توزیع‌شده، تقاضا برای میکروتوربین‌ها در بازار تجاری افزایش یافت. گروهی از میکروتوربین‌های پیشگام با نمایندگی محصولات الایدسیگنال، کپستون و الیوت در حدود سال ۲۰۰۰ به بازار آمدند.
با توسعه فناوری مواد و فناوری ماشین‌کاری، ساختار و عملکرد میکروتوربین‌ها نیز بهبود یافته‌است. میکروتوربین‌های اولیه در دهه ۱۹۶۰، پیکربندی مشابهی با توربین‌های گاز در مقیاس بزرگ داشتند. ژنراتور از محور توربین گاز جدا شده و توسط گیربکس به کوپلینگ متصل شده‌است. این اتصال باعث کاهش کارایی شد، اما به ژنراتور اجازه داد تا با سرعت چرخش کمتری کار کند، زیرا توربین گاز با سرعت ۱۰ هزار دور در دقیقه کار می‌کرد.
کمپرسور گریز از مرکز به دلیل نسبت فشار مناسب برای میکروتوربین‌ها و بهره‌برداری گسترده آن‌ها انتخاب شد. با توجه به پیشرفت مواد در آن زمان، دمای ورودی توربین میکروتوربین‌ها به ۸۰۰ تا ۹۰۰ درجه کلوین محدود شد و بهره‌وری حدود ۲۰ درصد بود.
کاربرد ژنراتورهای پرسرعت، توربین‌های گاز را قادر می‌سازد تا مستقیما ژنراتورها را به حرکت درآورند. برای ساده‌سازی سامانه میکروتوربین، کوپلینگ و جعبه‌دنده حذف شدند و در نتیجه بهره‌وری افزایش یافت. از آنجایی که ژنراتورهای پرسرعت معمولا برای اتصال با ساختارهای توربین گاز طراحی می‌شوند، پیشرفت‌های زیادی در متراکم‌سازی حاصل می‌شود که منجر به کاهش اندازه و وزن کلی می‌شود.
استفاده از سامانه‌های ریکاپراتورها نیز در میکروتوربین‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است. با بازیابی گرمای اتلاف‌شده، بهره‌وری حرارتی کلی میکروتوربین‌ها به میزان قابل‌توجه ۵ تا ۱۰ درصد افزایش می‌یابد. یک ریکاپراتور متراکم به جریان هوا اجازه می‌دهد تا فاصله و فشار کمتری را قبل از ورود به سامانه تجربه کند و تلفات جریان را کاهش می‌دهد. با این حال یک ریکاپراتور که در خارج قرار می‌گیرد ممکن است پتانسیل بهتری در عملکرد انتقال حرارت داشته باشد، زیرا اندازه آن محدود نیست.
بلبرینگ روغن‌کاری‌شده با گاز یا مایع یکی دیگر از روش‌های حیاتی مورداستفاده در سامانه‌های میکروتوربین است. یاتاق‌های روغن‌کاری‌شده محدودیت حداکثر سرعت چرخش را که تحت عملکرد یاتاقان دوار قرار دارد، می‌شکنند. بنابراین، پروانه روتور با جریان کم و بار زیاد می‌تواند قابلیت طراحی برتر را در سرعت چرخش بالا بدست آورد و در نتیجه بهره‌وری کلی افزایش یابد. میکروتوربین‌هایی که از یاتاقان‌های روغن‌کاری‌شده گاز/مایع استفاده می‌کنند، طول عمر بیشتری دارند و همچنین بازه‌های بازرسی طولانی‌تری دارند که به کاهش هزینه‌های جاری کمک می‌کند.
میکروتوربین‌های روزآمد با بهره‌مندی از پیشرفت مواد با دمای بالا، دمای ورودی توربین را به ۹۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه کلوین افزایش دادند. بهره‌وری حرارتی به طور قابل‌توجهی به ۲۵ تا ۳۵ درصد افزایش یافته‌است. کمپرسورها و توربین‌های جریان شعاعی با آرایش پشت به پشت، ساختارهای رایجی هستند و محفظه‌های احتراق حلقوی برای افزایش فشردگی تنظیم شده‌اند.
منبع:
