Кіріспе

25 500 кВт ішкі жанатын қозғалтқыш, әдетте Брейтон циклы типті.

Микротурбина (MT) – ауыр газ турбинасына ұқсас циклдар мен компоненттері бар шағын газ турбинасы. MT-ның қуатының салмаққа қатынасы ауыр газ турбинасынан жақсы, себебі турбина диаметрінің кішіреюі білік айналу жылдамдығының артуына себеп болады. Ауыр газ турбиналық генераторлар таратылған қуат қолданулары үшін тым үлкен және қымбат болғандықтан, MT электр қуатын ғана өндіру сияқты шағын масштабты қуатқа немесе біріктірілген салқындату, жылыту және қуат (CCHP) жүйелері ретінде дамытылады. MT – поршеньді қозғалтқыштардың турбокомпрессорларынан, ұшақтардың қосалқы қуат блоктарынан (APU) немесе тоңазытқыш көлеміндегі шағын реактивті қозғалтқыштардан дамыған газ турбиналары. Олар майлау майы, салқындатқыш немесе басқа да қауіпті материалдарсыз жұмыс істейтін фольгалық подшипниктермен және ауамен салқындатумен жасалуы мүмкін. Бөлік жүктемесіндегі тиімділікті арттыру үшін интеграцияланған жүйеде бірнеше турбина қажет болған жағдайда іске қосылып немесе тоқтатылып отыруы мүмкін. Поршеньді қозғалтқыштар қуат талаптарының өзгеруіне жылдам жауап бере алады, ал микротурбиналар төмен қуат деңгейлерінде тиімділігін жоғалтады. Олар поршеньді қозғалтқыштарға қарағанда жоғары қуат/салмақ қатынасына, төмен шығарындыларға және азырақ немесе бір ғана қозғалатын бөлікке ие болуы мүмкін. Поршеньді қозғалтқыштар тиімдірек, жалпы алғанда арзан болуы мүмкін және әдетте мотор майымен майланатын қарапайым подшипниктерді қолданады. Микротурбиналар когенерация және таратылған генерация үшін турбо-альтернатор немесе турбогенератор ретінде немесе гибридті электр көліктеріне қуат беру үшін пайдаланылуы мүмкін. Қалдық жылудың көп бөлігі салыстырмалы түрде жоғары температуралы шығарындыста орналасқан, бұл оны жинауды жеңілдетеді, ал поршеньді қозғалтқыштардың қалдық жылуы шығарындыс және салқындату жүйесі арасында бөлінеді. Шығарындыс жылуын суды жылыту, кеңістікті жылыту, кептіру процестері немесе абсорбциялық суытқыштар үшін пайдалануға болады, олар электр энергиясының орнына жылу энергиясынан ауа кондициялау үшін суық жасайды.

Тиімділік

Микротурбиналар рекуператорсыз шамамен 15% тиімділікке ие, рекуператормен 20-30% тиімділікке жетеді және когенерацияда 85% комбинирленген жылу-электр тиімділігіне қол жеткізе алады. Capstone Turbine компаниясы өз C200S модельдері үшін 33% LHV электр тиімділігін көрсетеді. 1988 жылы NEDO Жапонның «Жаңа Күн сәулесі» жобасы аясында керамикалық газ турбинасы жобасын бастады: 1999 жылы қалпына келтірілген екі біліксі Kawasaki Heavy Industries CGT302 42,1% тиімділікке және турбинаға кіретін температураға қол жеткізді. 2010 жылдың қазан айында Capstone компаниясы АҚШ Энергетика министрлігінен қазіргі қозғалтқыштар негізінде екі сатылы интеркүлерлі микротурбинаны жобалау жұмысын жеңіп алды, мақсаты 42% электр тиімділігіне жету. Лаппенранта технологиялық университетінің ғалымдары 45% тиімділікке жету мақсатымен интеркүлерлі және рекуператорлы екі біліксі микротурбина құрастырды.

Нарық

Forecast International компаниясы 2008-2032 жылдар аралығында Capstone Turbine компаниясының бірлік өндірісі бойынша нарықтың 51,4%-ін, Bladon Jets компаниясының 19,4%-ін, MTT компаниясының 13,6%-ін, FlexEnergy компаниясының 10,9%-ін және Ansaldo Energia компаниясының 4,5%-ін құрайтынын болжайды.

Өте шағын

MIT өзінің миллиметрлік турбиналы қозғалтқыш жобасын 1990 жылдардың ортасында авиация және астронавтика профессоры Алан Х. Эпштейн қазіргі заманғы адамның электрлік қажеттіліктерінің барлық талаптарын қанағаттандыруға қабілетті жеке турбина жасау мүмкіндігін қарастырған кезде бастады, дәл сияқты үлкен турбина кішкентай қаланың электр энергиясымен қамтамасыз ете алады. Бұл жаңа микротурбиналарда жылуды тарату және жоғары жылдамдықты подшипниктерде проблемалар туындады. Оның үстіне, олардың күтілетін тиімділігі өте төмен, 5-6% ғана. Профессор Эпштейннің айтуынша, қазіргі коммерциялық литий-ионды қайта зарядталатын батареялар жақын арада МИТ-тің миллиметрлік турбинасының деңгейінде қуат береді, ал ұзақ мерзімді перспективада одан да жоғарылайды. Бельгияның Katholieke Universiteit Leuven компаниясы құрастырған ұқсас микротурбинаның ротор диаметрі 20 мм және шамамен 30% тиімділік қамтамасыз етеді деп күтілуде. TP R90 турбовинтогенераторы немесе TG R90 турбогенераторы ұшу кезінде сағатына реактивті отын жағып тұтына алады. Чех PBS Velká Bíteš өзінің TP100 турбовинторын, салмағы ультражеңіл және БПЛА үшін ұсынады, бұл 42,7 МДж/кг отынмен тиімділіктің белгілі бір пайызына тең. Майамидегі UAV Turbines компаниясы өзінің Monarch RP (бұрынғы UTP50R) типті, қалпына келтірілген турбовинтын, жалпы салмағы шамамен болатын ұшақтар үшін әзірледі, және TigerShark БПЛА-да сынақтан өтеді. 2019 жылдың 10 желтоқсанында компания өзінің Monarch Hybrid Range Extender, қыркүйек айында ашылған Monarch 5 турбинасына негізделген гибридті электрлік демонстраторын таныстырды, қозғалтқыштың салмағы және жүйенің жалпы салмағы.

Гибридті көліктер

Кеңейтілген диапазонды электрлік көліктерде қолданғанда статикалық тиімділік кемшілігінің маңызы азаяды, себебі газ турбинасы максималды немесе максималды қуатқа жақын жұмыс істей алады, содан кейін генераторды дөңгелек моторларын немесе батареяларды қуатпен қамтамасыз ету үшін басқарады, бұл жылдамдық пен батарея күйіне байланысты болады. Батареялар дөңгелек моторларына қажетті қуатты жеткізуде "буфер" (энергия сақтағыш) рөлін атқарады, газ турбинасының педальға реакциясын ескермейді. Сонымен қатар, маңызды немесе өзгермелі жылдамдықты беріліс қорабы қажет емес; салыстырмалы түрде жоғары жылдамдықта генераторды айналдыру, әдеттегіден кішірек және жеңіл генераторға мүмкіндік береді. Газ турбинасының және оның тұрақты жылдамдықты беріліс қорабының қуат-салмақ арақатынасының артықшылығы Toyota Prius (1.8 литрлік бензиндік қозғалтқыш) немесе Chevrolet Volt (1.4 литрлік бензиндік қозғалтқыш) көліктеріне қарағанда әлдеқайда жеңіл қозғалтқышқа мүмкіндік береді. Бұл өз кезегінде батареялардың салмағын арттыруға мүмкіндік береді, соның арқасында электрмен жүру диапазоны ұзарады. Сонымен қатар, көлік құралында ауыр, арзан қорғасын-қышқыл немесе қауіпсіз литий-темір фосфат батареяларын қолдануға болады. Land Rover/Range Rover компанияларының Bladon компаниясымен бірлесіп, немесе Jaguar компаниясының да Bladon компаниясымен бірлесіп жоспарлаған кеңейтілген диапазонды электрлік көліктерде газ турбинасының нашар педальға реакциясы (олардың айналу инерциясының жоғары мәні) маңызды емес, себебі 100,000 айналымға дейін айнала алатын газ турбинасы тікелей, механикалық түрде дөңгелектерге қосылмайды. Осы нашар педальға реакция 1950 жылғы Rover газ турбинасымен жұмыс істейтін прототипті автомобильдің жұмысын қиындатты, себебі ол жүргізушінің сұранысы бойынша күрт қуатты ұсынуға қабілетті аралық электрлік жетегінің артықшылықтарына ие болмады.