در حال بررسی...۱۱کاربرد میکروتوربین
میکروتوربین‌ها در ابتدا برای وسایل نقلیه طراحی شدند، اما پس از معرفی مفهوم سامانه انرژی توزیع‌شده DES به سرعت توسعه یافتند. به لطف اندازه و سطح توان مناسب، میکروتوربین‌ها بیشتر در تولید انرژی خورشیدی و سامانه‌های پیل سوختی توربین گاز مورد استفاده قرار گرفته‌اند و نقش محوری در عملکرد سامانه‌های پیچیده ایفا می‌کنند. هدف این نوشتار معرفی چندین کاربرد معمولی و تحقیقات مربوطه در مورد میکروتوربین‌ها است.
” بخوانید: میکروتوربین‌ها؛ مروری بر روند توسعه و فناوری‌های کلیدی “
سامانه انرژی توزیع‌شده (DES)
سامانه انرژی توزیع‌شده نوعی سامانه انرژی است که مبتنی بر فناوری تولید برق پراکنده و مفهوم بهره‌برداری آبشاری انرژی است. برای کاربرانی که مستقیما با این سامانه‌ها روبرو هستند DES عرضه بر اساس تقاضا را فراهم و نیازهای مختلف را برآورده می‌کند. سامانه انرژی توزیع‌شده مفهومی از تولید و مدیریت توان را نشان می‌دهد، اما اغلب با تولید پراکنده در گزارش‌ها و مقالات علمی همراه است.
به منظور تطابق بیشتر با تقاضا و همچنین کاهش تلفات توزیع، دستگاه‌های تولید کوچک و میکرو در سطح کیلووات، روند اصلی توسعه کوچک‌سازی سامانه‌های تولید پراکنده هستند. سامانه‌های ترکیبی برق و حرارت (CHP) بیشتر در تولید پراکنده استفاده می‌شوند. با مزیت نزدیکی به کاربران، محصولات جانبی گرما برای گرمایش در یک سامانه CHP استفاده می‌شوند.
شکل ۱ یک نمودار سامانه پایه از سامانه MGT-CHP را نشان می‌دهد که از یک میکروتوربین (MGT)، یک ژنراتور و دستگاه‌های تبرید یا گرمایش تشکیل شده‌است. یک سامانه پیچیده همچنین شامل کنترل‌کننده‌ها، واحدهای ذخیره‌سازی حرارتی و بویلرهای کمکی برای پاسخگویی به حداکثر تقاضای گرما است.
شکل ۱
مطالعات متعددی در مورد کاربرد میکروتوربین‌ها در سامانه‌های انرژی توزیع‌شده انجام شده‌است. در سال ۲۰۰۰، میکروتوربین‌ها و سامانه‌های تولید همزمان معرفی شدند و همچنین به این موضوع اشاره شد که اتحادیه اروپا نیاز دارد بهره‌وری کلی سامانه‌های تولید همزمان به بالای ۶۰ درصد برسد. در حقیقت، سامانه‌های بر پایه MGT-CHP می‌توانند به بهره‌وری کلی ۹۰ درصد دست پیدا کنند.
سامانه‌های میکرو-CHP برای بهره‌برداری مسکونی نیز مورد بررسی قرار گرفتند. مقایسه ویژگی‌های دستگاه‌ها مختلف تبدیل انرژی به این موضوع منتج شد که میکروتوربین‌ها روش‌های مناسب و امیدوارکننده‌ای برای بخش‌های مسکونی، تجاری و آموزشی هستند. برخی پژوهشگران همچنین معتقدند سامانه‌های مبتنی بر MGT-CHP کاربرد بسیار خوبی برای مصرف‌کنندگان کوچک و متوسط، مانند مراکز خرید و مناطق دورافتاده دارند.
ویژگی‌های چندین حرکت‌دهنده اولیه برای mCHP در جدول ۲ ارائه شده‌است. در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی، میکروتوربین‌ها دارای قطعات متحرک کمتر، سازگار با سوخت بهتر و آلایندگی کمتری هستند. تعمیر و نگهداری میکروتوربین‌ها نیز آسان است و می‌تواند استانداردهای بالای زیست محیطی را برآورده کند. در مقایسه با پیل‌های سوختی (FC)، سامانه چرخه رانکین (ORC) و موتور استرلینگ (SE)، میکروتوربین‌ها عموما چگالی توان بالاتر و دمای گاز خروجی بیشتری دارند که منابع گرما محرک خوبی برای دستیابی به تولید همزمان کارآمد هستند.
جدول ۲: ویژگی‌های محرک‌های اولیه برای mCHP
بر اساس این مزیت‌ها، بسیاری از سامانه‌های انرژی توزیع‌شده با میکروتوربین، از زمان ورود میکروتوربین‌های تجاری به بازار در اواخر دهه ۱۹۹۰ مورد بهره‌برداری قرار گرفته‌اند. کپستون را به‌عنوان مثال در نظر بگیرید: میکروتوربین C30 برق و آب گرم را برای کشتی‌های دوگانه‌سوز MTS Argonon و مرکز تاهو کالیفرنیا در ارتفاع ۶۳۰۰ پایی تامین می‌کند.
دو محصول ۶۵ کیلوواتی در مرکز تفریحی ONE NK استفاده می‌شوند که سالانه ۷۵ کیلووات ساعت برق و ۱۳۰ کیلووات ساعت گرما تامین می‌کنند. هتل لوته نیویورک پالاس مجهز به ۱۲ ماشین C65 با توان تولید ۷۸۰ کیلووات برق و ۳.۴۵ MMBtu/h آب گرم در دمای ۹۳ درجه سانتی‌گراد است. همچنین می‌توان از آن برای تبرید ساختمان با چیلر جذبی بهره‌برداری کرد. علاوه بر این موارد، محصولات کپستون در بیش از ۳۰ مرکز تولید پراکنده در سراسر جهان بکار گرفته می‌شوند.
به منظور افزایش عملکرد تولید همزمان، محققان روش‌هایی را برای ارزیابی عملکرد سامانه‌های CHP و بررسی عوامل تاثیرگذار پیشنهاد کرده‌اند. روش‌های مبتنی بر قانون اول (مرتبط با انرژی) و قانون دوم (مرتبط با اگزرژی) ترمودینامیک برای بررسی عوامل تاثیرگذار و پیش‌بینی عملکرد سامانه‌های CHP بکار گرفته شده‌اند. برای این منظور، برخی پژوهشگران عملکرد سامانه‌های MGT-CHP را با بررسی دقیق انرژی و اگزرژی ارزیابی کردند. شرایط کاری T100 به‌عنوان الگو در نظر گرفته شد.
نرخ انرژی، نرخ اگزرژی و سایر خصوصیت‌ها در مکان‌های مختلف سامانه برای ارزیابی اتلاف انرژی/مصرف اگزرژی هر بخش بدست آمد. اختلاف انرژی/اگزرژی بین ورودی و خروجی سامانه، نشاندهنده مجموع تلفات انرژی/مصرف اگزرژی در قطعات است. مطالعات انجام‌شده نشان داد که گاز خروجی می‌تواند حداکثر اتلاف انرژی ۴۴.۰۳ کیلووات (حدود ۱۳.۱۴ درصد) را از آنجایی که گرمای اتلاف‌شده مورد بهره‌برداری قرار نگرفت، ایجاد کند.
به طور کلی، اگزرژی به‌عنوان نمایش کمیت و کیفیت انرژی تعریف می‌شود. با ۳۴۵.۲۷ کیلووات ورودی اگزرژی سوخت، ۹۹.۱۵ کیلووات اگزرژی الکتریکی و ۲۴۰۴۶ کیلووات رشد اگزرژی حرارتی تولید شد. کل مصرف اگزرژی ۲۲۱.۶۶ کیلووات بود که عمدتا به دلیل تخریب اگزرژی فرآیند برگشت‌ناپذیر است. واکنش برگشت‌ناپذیر انرژی شیمیایی با کیفیت بالا، به گرمای فرآیند با کیفیت پایین در محفظه احتراق باعث حداکثر تلفات اگزرژی ۱۲۹.۶۱ کیلووات (حدود ۳۷.۵۴ درصد) شد.
برخی پژوهشگران معتقدند که ۷۰ درصد از دست‌دادن اگزرژی در محفظه احتراق اتفاق می‌افتد، جایی که ضریب هوای اضافی از ۵۵۰ درصد به ۷۲۰ درصد افزایش مییابد، زمانی که میزان بار اعمال‌شده از ۱۰۰ درصد به ۲۵ درصد تغییر می‌کند. همراه با انتقال حرارت ضعیف در ریکاپراتور در نرخ جریان کم، سامانه MGT-CHP تحت ارزیابی قانون دوم تلفات بیشتری دارد.
پژوهشگران اشاره می‌کنند که عملکرد در شرایط بار جزئی کاهش مییابد و می‌توان با افزودن سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی که آن را برای شرایط کامل مناسب می‌سازد، بازیابی شود. بررسی‌های دیگر نشان داده‌اند که چرخه مرطوب‌شده برای انعطاف‌پذیری سامانه‌های تولید پراکنده مفید است.
افزایش‌دهنده برد (RE)
خودروهای الکتریکی در زمینه حفاظت از محیط زیست توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند، اما به دلیل محدودیت‌های باتری همچنان با چالش‌هایی مانند وزن سنگین، قیمت بالا، چگالی انرژی پایین و مسافت پیمودهشده کم‌مواجه هستند. افزایش‌دهنده برد یک رویکرد موثر برای حل‌کردن مشکل مسافت پیمودهشده با ارائه منابع انرژی اضافی است. در حالی که افزایش‌دهنده برد فعلی بطور کلی از موتور احتراق داخلی ICE اصلاح شده، میکروتوربین‌ها یک مسیر توسعه امیدوارکننده برای افزایش‌دهنده‌های برد در نظر گرفته می‌شوند.
در مقایسه با ICE، میکروتوربین‌ها دارای مزایای برجسته در چگالی توان، سازگاری سوخت و عمکلرد آلایندگی هستند، بنابراین منجر به کاهش آلایندگی مونواکسیدکربن تا ۳۰ درصد و آلایندگی ناکس تا ۵۰ درصد می‌شوند. بطور کلی، یک پیشرانه MGT-RE از افزایش‌دهنده برد، ژنراتور، مبدل توان، بسته باتری و موتور الکتریکی تشکیل شده‌است (شکل ۲). در این سامانه، میکروتوربین منبع تغذیه را فراهم می‌کند و برق را به‌عنوان افزایش‌دهنده برد تولید می‌کند.
شکل ۲
علاوه بر این، خروجی موتور منبع و ورودی بار چرخ توسط اتصال الکتریکی ایزوله می‌شوند که یک سری از مشکلات ناشی از راهبرد درایو مستقیم قدیمی را حل می‌کند. این واقعیت حاکی از آن است که افزایش‌دهنده برد یک طرح عملی برای میکروتوربین است که در وسایل نقلیه اعمال می‌شود. در جدول ۳ برخی از وسایل نقلیه‌ای که به میکروتوربین افزایش‌دهنده برد مجهز هستند، ارائه شده‌است. ولوو، توربین گاز VT300 را در سال ۲۰۰۵ روی کامیون‌های سنگین آزمایش کرد و پیشرفت مثبتی داشت.
جدول ۳: وسایل نقلیه مجهز به میکروتوربین افزایش‌دهنده برد
خودروی مفهومی کپستون CMT-380 به یک توربین گاز ۳۰ کیلوواتی مجهز بود و در مجموع ۸۰۰ کیلومتر مسافت طی‌شده را با بسته باتری به دست آورد. جگوار C-X75 که در سال ۲۰۱۰ عرضه شد، دارای چهار موتور الکتریکی بود که توسط دو ژنراتور میکروتوربین ۷۰ کیلوواتی ساخت بلادون جتز هدایت می‌شدند. یک میکروتوربین نسبت توان به وزن ۲ کیلووات بر کیلوگرم داشت که بالاتر از پیشرانه معمولی ICE است. خودروهایی که از افزایش‌دهنده برد توسط میکروتوربین بهره می‌گیرند و محصول شرکت‌هایی همچون تکرولس، هیبرید کینتیک، میتسوبیشی و دلتا موتوراسپرت هستند. شرکت رایت اسپید از میکروتوربین ۸۰ کیلوواتی بازیابی‌شده به‌عنوان واحد توان کامیون‌های برقی بهره‌برداری کرد. افزایش‌دهنده برد محصول شرکت رایت اسپید که در شکل ۳ به تصویر درآمده، به مزایای اقتصادی خوبی دست یافته‌است.
شکل ۳
در مورد میکروتوربین‌های توسعه‌دهنده برد، محققان بر عملکرد کلی تمرکز کرده‌اند و عواملی را که بر آلایندگی، مصرف سوخت و عملکرد توان MGT-REEV تاثیر می‌گذارد، مطالعه کرده‌اند. برخی پژوهشگران مدل خودرویی را بر اساس تقاضا برق و استاندارد NEDC در MATLAB ایجاد کردند. شبیه‌سازی‌ها بر روی ICE، افزایش‌دهنده برد ICE و افزایش‌دهنده برد میکروتوربین در حضور شرایط مختلف انجام شد.
این محققان از یک مدل مبتنی بر ترمو-سینتیک برای تخمین انتشار مونواکسیدکربن و مونواکسیدنیتروژن استفاده کردند و کشف کردند که استفاده از میکروتوربین به‌عنوان افزایش‌دهنده برد می‌تواند به طور قابل‌ملاحظه‌ای انتشار آنها را افزایش دهد. نتایج بدست آمده حاکی از انتشار مونواکسیدکربن و مونواکسیدنیتروژن به ترتیب حدود ۷۹.۶ درصد و ۹۲ درصد از طریق مصرف سوخت بیشتر است. گروهی دیگر از پژوهشگران همچنین مدلی برای شبیه‌سازی MGT-REEV توسعه دادند و تاکید کردند که MGT-REEV مسافت پیمودهشده قابل‌مقایسه با ICE دارد. توان خروجی ۱۰ کیلووات می‌تواند نیاز عملیاتی بسته باتری آنها را برآورده سازد.
این محققان همچنین یک توربوشارژر را بر اساس نتایج شبیه‌سازی به میکروتوربین تغییر دادند و آزمایش‌های عملکرد را انجام دادند که اوج توان ۹.۵ کیلووات را نشان داد. محققان دیگر یک کامیون الکتریکی را با یک افزایش‌دهنده برد، با تمرکز بر عملکرد نویز، انتشار و توان خروجی مورد بررسی قرار دادند. نویز تولیدشده توسط میکروتوربین در سرعت‌های پایین کم بود، در حالی که نویز فرکانس بالا از ژنراتورها آشکار بود و تمام شرایط عملیاتی را پوشش می‌داد.
نتایج همچنین نشان داد که بهترین دمای محیط (محدود ۲۰ تا ۲۲ در جه سانتی‌گراد) بر توان خروجی تاثیر می‌گذارد. علاوه بر این، فیلترهای هوا باعث افزایش ۳ درصدی توان خروجی و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در سرعت‌های بالا می‌شوند. برخی محققان از توسعه یک میکروتوربین خاص خبر میدهند که چگالی توان جرمی و حجمی را در مقایسه با موتورهای دیزلی به ترتیب به میزان ۴۰۰ و ۵۰۰ درصد افزایش داد.
از آنجایی که میکروتوربین‌ها نمونه‌های کوچک‌شده توربین‌های گاز هستند، ویژگی‌های آنها معمولا تحت تاثیر سطح توان آنها قرار می‌گیرند. به منظور دستیابی به بهره‌وری حرارتی بالاتر، میکروتوربین‌ها معمولا در حضور محور‌های با سرعت بالا کار می‌کنند که در نتیجه ژنراتورها و اینورترهای بزرگتر تولید می‌شوند که برای کاربردهای برد خودرو مضر هستند.
توان‌های کم همچنین می‌توانند منجر به مشکلات اثر مقیاس در عملکرد قطعه شوند. طبق گفته برخی محققان، با تاثیر بر کارایی قطعات، تاثیر قابل‌توجهی بر عملکرد کلی REEV، مانند اندازه بسته باتری و زمان شارژ دارد. پاسخ آهسته همچنین میکروتوربین‌ها را برای استفاده در وسایل نقلیه محدود می‌کند. مدل دینامیکی MGT-RE که توسط برخی پژوهشگران ایجاده شده، نشان داد که پاسخ دینامیکی میکروتوربین به چندین راهبرد تقاضای توان تحت شرایط کاری NEDC، تاخیر زیادی را نشان می‌دهد و به یک بافر انرژی نیاز دارد تا امکان کار در یک وسیله نقلیه را فراهم کند.
دستاوردهای فعلی از کاربرد میکروتوربین‌ها در افزایش‌دهنده‌های برد پشتیبانی می‌کنند و صنعتی‌شدن مربوطه را شکل داده‌اند. مزایای میکروتوربین‌ها کاهش آلایندگی و سازگاری با سوخت است. این در حالی است که عمر طولانی‌تر، لرزش کمتر و اندازه فشرده‌تر، محرک‌های بالقوه برای بهره‌برداری تجاری بیشتر هستند. هزینه بالا و عدم رسیدن به حداکثر بهره‌وری در سطح توان یکسان از جمله مشکلات عمده‌ای است که کاربرد آنها را محدود می‌کند.
سامانه انرژی خورشیدی متمرکز (CSP)
سامانه‌های انرژی حرارتی خورشیدی به دلیل بهره‌وری بالا و ذخیره‌سازی گرمای ارزان، توجه بیشتری را به خود جلب کرده‌اند. در دهه ۱۹۸۰، سامانه‌های انرژی حرارتی خورشیدی با استفاده از توربین‌های گاز به‌عنوان ماشین‌های مبدل توان، در آمریکا طراحی و به طور گسترده آزمایش شدند. در سامانه انرژی خورشیدی متمرکز توربین گاز (GT-CSP) هوای تحت فشار که توسط گرمای خورشیدی جمع‌آوری شده و ذخیره شده، گرم می‌شود تا دمای ورودی محفظه احتراق افزایش یابد و مصرف سوخت کاهش پیدا کند.
اگرچه در برخی از مطالعات قبلی اشاره شده که توربین‌های گاز سنگین جایگزین‌های جذابی برای تولید برق حرارتی خورشیدی هستند، بکارگیری توربین‌های گاز مقیاس مگاواتی فعلی با سامانه‌های تولید برق خورشیدی به ندرت گزارش شده‌اند. میکروتوربین‌های مقیاس کیلوواتی برای سامانه‌های انرژی خورشیدی متمرکز مناسب هستند. توان کم مقیاس سامانه را قابل مدیریت می‌کند. هلیوستات فضای زیادی را اشغال نخواهد کرد و باعث می‌شود سامانه کمتر توسط اندازه سایت محدود شود.
شکل ۴ یک سامانه عادی MGT-CSP را نشان می‌دهد. نور خورشید از طریق هلیواستات‌ها به گیرنده متمرکز می‌شود و نسبت غلظت می‌تواند بالا باشد. همانطور که در شکل ۵ نشان داده شده، موقعی که میکروتوربین‌ها با دمای ورودی توربین بالا سازگار می‌شوند، بالاترین دمای مجاز گیرنده خورشیدی می‌تواند بسیار بالاتر باشد. یک سامانه اغلب به یک احتراق مکمل برای مدیریت انرژی ورودی به منظور تثبیت شرایط کاری میکروتوربین مجهز است. علاوه بر برج‌های جمع‌کننده که نشان داده شده، شکل جمع‌آوری انرژی شامل سامانه‌های دیش کلکتور نیز می‌شود که اغلب با توان منفرد کمتر همراه است. توربوشارژرهای معمولی را می‌توان بروزرسانی و یکپارچه کرد. با توجه به اندازه و وزن کوچک، میکروتوربین‌ها این مزیت را دارند که به راحتی در کنار کلکتور حرارت ادغام شوند که این امر مورد علاقه سامانه‌های CPS فضایی نیز است.
شکل۴
شکل ۵
شرکت انرژی خورشیدی جنوب غربی آمریکا و شرکت برایتون انرژی بطور مشترک پروژه Solar CAT هشتاد کیلوواتی را با استفاده از میکروتوربین ۸۰ کیلوواتی برایتون به‌عنوان هسته توان راه‌اندازی کردند که دارای دیش کلکتور با قطر ۲۳ متر است. معمولا توصیه می‌شود میکروتوربین در نزدیکی نقطه کانونی دیش نصب شود تا از اتلاف حرارت ناشی از خطوط لوله طولانی جلوگیری شود. کاساشیا (Casaccia) یک سامانه MGT-CSP با سطح توان پایین ۳ تا ۱۰ کیلووات ارائه کرده که یکپارچگی خوبی را نشان می‌دهد.
علاوه بر این سامانه‌های کاربردی MGT-CSP، برخی کاوش‌ها نیز طرح‌های مرتبط را پیشنهاد کرده‌اند. برخی محققان عملکرد ترمودینامیکی یک سامانه دیش گیرنده با توان طراحی‌شده ۳۱.۵ کیلووات و دمای ورودی توربین ۸۵۰ درجه سانتی‌گراد را ارزیابی کردند که بطور کامل توسط انرژی خورشیدی تامین می‌شد. پژوهشگران دیگر یک گیرنده خورشیدی برای میکروتوربین توسعه دادند و مشخص شد که هوای تحت فشار می‌تواند ۴۷ کیلووات انرژی در تبادل حرارتی با حفره SIC استوانه‌ای احاطه شده توسط سرامیک‌های متخلخل مشبک و افت فشار ۲.۷ درصد را بدست آورد.
گروهی دیگر از محققان یک سامانه میکروتوربین برای دیش کلکتورها طراحی کردند، به طوریکه گیرنده در جلوی محفظه احتراق قرار می‌گرفت و می‌توانست ۲۵ کیلووات انرژی پیش‌گرمایش را در حضور ورودی جزئی خورشیدی فراهم کند. همانطور که در بالا ذکر شد، میکروتوربین در سامانه CSP به طور کلی و به طور کامل از خارج گرم نمی‌شود، اما محفظه احتراق را حفظ می‌کند. مصرف سوخت معمولا با شدت نور خورشید به طور معکوس تغییر می‌کند تا تولید برق ثابتی داشته باشد.
توزیع نابرابر تابش خورشیدی در طول روزها و فصول باعث تغییر ترمودینامیکی در مصرف سوخت می‌شود. بنابراین، هزینه عملیاتی سامانه‌های CSP اغلب مصرف سوخت را در نظر می‌گیرد و به راهبردهای عملیاتی مربوط می‌شود که نیازمند ملاحظات از دیدگاه‌های متعدد است. به گفته تحقیق یک پژوهشگر، هزینه کل سامانه MGT-CSP به دلیل مساحت هیلواستات‌ها است، همانطور که در شکل ۶ نشان داده شده‌است. سطح آینه‌ای بیش از حد بزرگ می‌تواند منجر به افزایش هزینه‌های تعمیر و نگهداری شود.
شکل ۶
هزینه کل بهینه‌شده بالغ بر ۳۶ هزار یورو در سال است و هزینه سوخت بیش از ۸۷ درصد از کل هزینه‌ها را تشکیل می‌دهد. این سامانه می‌تواند حدودا ۶۱۵ مگاوات ساعت برق تولید کند. در سامانه تولید برق و نمک‌زدایی که توسط یک محقق توضیح داده شده، انرژی خورشیدی بهره‌وری تولید را تا حدود ۳.۲ درصد افزایش می‌دهد. طرح‌های پیشنهادی به مصرف میزان یکسانی از آب، بین ۱.۷۸ دلار/ مترمکعب در روز و ۱.۹۲ دلار/ مترمکعب در روز دست می‌یابند که با دستگاه‌های نمک‌زدایی معمولی با انرژی خورشیدی قابل مقایسه است.
میکروتوربین‌ها ماشین‌های تولید توان ایده‌آلی برای سامانه‌های CSP هستند. روش فشرده‌سازی و گردش به لوله‌کشی جریان پیچیده اجازه می‌دهد تا نیازهای یکپارچه‌سازی این سامانه‌ها را برآورده کند. سازگاری گسترده با سوخت، آن را قادر می‌سازد تا با سوخت‌های زیستی و سایر ابزارهای فنی ترکیبی و در نتیجه هزینه‌های سوخت را کاهش دهد. تنظیمات تجاری و تجربی کنونی نشاندهنده بلوغ این فناوری است.
تحقیقات بیشتر در مورد روش‌های کنترل مناسب برای شرایط مختلف تابش و همچنین روش‌های طراحی مناسب برای سامانه‌های جفت‌شده پیچیده هنوز موردنیاز است. بطور خاص، عملکرد گیرنده‌ها و مبدل‌های حرارتی نیز تاثیر مهمی بر کاربرد میکروتوربین‌ها در سامانه‌های CSP خواهد داشت.
میکروتوربین- سامانه پیل سوختی (FC)
سامانه‌های پیل سوختی با دمای بالا بطور گسترده در سامانه‌های انرژی توزیع‌شده بکار گرفته شده‌اند، زیرا ترکیب پیل‌های سوختی با میکروتوربین‌ها می‌تواند کارایی را بهبود بخشد. معمولا دو نوع پیل سوختی همراه با میکروتوربین وجود دارد: پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC) و پیل سوختی اکسید جامد (SOFC). سیکل ترکیبی را نیز می‌توان به دو نوع تقسیم کرد: سیکل سطح بالا و سیکل سطح پایین. سیکل سطح بالا به‌عنوان یک سیکل فشار بالا تعریف می‌شود که معمولا حاوی یک پیل سوختی لوله‌ای تحت فشار است.
انتهای اکسیدکننده پیل سوختی با گاز پرفشار تغذیه می‌شود. این در حالی است که سیکل سطح پایین تحت فشار معمولی کار می‌کند. اکسیدکننده قبل یا بعد از عبور از میکروتوربین وارد پیل سوختی می‌شود. شکل ۷ یک نمایش شماتیک از سیکل سطح بالا را نشان می‌دهد. عملکرد پیل سوختی در یک محیط هوای پرفشار، پس از کمپرسور، موظف است که بازده و چگالی توان پیل سوختی را افزایش دهد. گاز خروجی با دمای بالا به‌عنوان مکمل حرارتی استفاده می‌شود یا بطور مستقیم در توربین منبسط می‌شود.
شکل ۷
پیل سوختی SOFC برای سیکل‌های بالا و برای دستیابی به بهره‌وری بالا مناسب هستند. شکل ۸ یک نمایش شماتیک از سیکل پایین را نشان می‌دهد. هوای محیط ابتدا فشرده شده و سپس در واحد بازیابی حرارت از قبل گرم می‌شود. یک مبدل حرارتی با دمای بالا برای تبادل گرما بین گاز سوخته و هوای فشرده مورد استفاده قرار می‌گیرد و هوای گرم‌شده مستقیما توربین را به حرکت در‌می‌آورد.
شکل ۸
هوای خروجی توربین با اجزای سوخت واکنش‌نداده از آند پیل سوختی سوزانده می‌شود و گاز به‌عنوان یک واکنش‌دهنده وارد کاتد پیل سوختی می‌شود. در این سیکل، هر دو واکنش‌دهنده در آند و کاتد در فشار معمولی هستند که با ویژگی‌های سیکل سطح پایین مطابقت دارند. معمولا حرکت مکرر دی‌اکسیدکربن بین آند و کاتد باعث می‌شود MCFC ها برای سیکل پایین مناسب باشند.
تحقیقات زیادی در مورد تولید همزمان MGT-FC انجام شده‌است. برخی محققان معتقد بودند که کاهش بهره‌وری سامانه در حضور بارهای جزئی اعمال‌شده، عمدتا به دلیل کاهش دمای عملیاتی ماژول SOFC است. نتایج نشان داد که سامانه SOFC-MGT می‌تواند به بهره‌وری تولید ۶۰ درصد (LHV) در نقطه طراحی‌شده برسد، در حالی که بهره‌وری بالای ۵۰ درصد (LHV) در سطح بار ۶۰ درصد باقی مانده‌است.
این نتایج نشان می‌دهد که میکروتوربین با جریان هوای انعطاف‌پذیر باید دمای عملیاتی خود را حفظ کند. برخی پژوهشگران سامانه هم‌گازسازی توده زیستی چوبی و کود حیوانی با MGT-SOFC را پیشنهاد کردند. نتایج نشان می‌دهد بهره‌وری حرارتی می‌توان به ۵۵ درصد برسد که نزدیک به بهره‌وری سامانه‌های میکروتوربین است که گازهای زائد را بر اساس SOFC می‌سوزانند (حدود ۴۲ تا ۵۸ درصد). علاوه بر این، این سامانه بازده سرمایه‌گذاری قابل‌توجهی را بدست آورد.
گروهی از محققان سیکلی از میکروتوربین، SOFC و ORC را ترکیب کردند. گاز خروجی با آنتالپی بالا از پیل سوختی در میکروتوربین استفاده شد و گاز خروجی از میکروتوربین سپس در یک ژنراتور بازیافت حرارتی بخار در سیکل رانکین مورد بهره‌برداری قرار گرفت. تجزیه و تحلیل حساسیت سامانه انجام شده بود که حداکثر بهره‌وری کل ۶۵ درصد را نشان می‌دهد. برای تحقیقات بیشتر، سوخت توده زیستی در یک سامانه مشابه برای تولید همزمان استفاده شد.
تحقیق دیگر عملکرد یک سامانه MCFC-MGT تحت فشار را بر اساس یک میکروتوربین تجاری موجود بررسی کرد. سامانه مورد مطالعه، کمتر از سامانه‌های SOFC و MCFC سنتی کارآمد بود. چندین روش کنترل برای بار اعمال‌شده جزئی توسعه و توضیح داده شد. روی سرعت جایگزین توربین گاز عملکرد بهتری را ارائه کرد، اما با خطر سرج مواجه شد. گروهی از پژوهشگران یک سامانه MCFC-MGT با دستگاه جذب کربن طراحی کردند که تقریبا ۱۰۰ درصد دی‌اکسیدکربن را جذب کرد. در مقایسه با سایر سامانه‌های MFCF معمولی، این سامانه با جذب کربن قدرت خروجی بالاتری داشت. در تحقیقات بعدی، چرخش خارج از گاز برای افزایش قابل‌ملاحظه بهره‌وری حرارتی سامانه جهانی تا بیش از ۵۷ درصد ارزیابی شد.
ادغام سامانه میکروتوربین و پیل سوختی بطور قابل‌توجهی کارایی سامانه را بهبود می‌بخشد، تا جایی که پیل سوختی می‌تواند برای میکروتوربین بسیار مفید باشد تا محدودیت کارایی سیکل کارنو را دور بزند. علاوه بر این، برخی از مدل‌ها به بهره‌برداری تجاری رسیده‌اند. با این حال، در مقایسه با سایر سامانه‌های میکروتوربین، استفاده از سامانه پیل سوختی مستلزم هزینه بیشتری در سامانه تولید هزمان است و بازگشت سرمایه باید بیشتر موردتوجه قرار گیرد.
منبع:
