Введение

Двигатель внутреннего сгорания мощностью 25 500 кВт, как правило, цикла Брэйтона.

Микротурбина (MT) – это небольшая газовая турбина с циклами и компонентами, аналогичными тяжелой газовой турбине. Отношение мощности к весу у MT выше, чем у тяжелой газовой турбины, поскольку уменьшение диаметров турбины приводит к увеличению скорости вращения вала. Тяжелые газотурбинные генераторы слишком велики и дороги для применения в распределенной энергетике, поэтому MT разрабатываются для малой мощности, например, для выработки электроэнергии автономно или в качестве систем комбинированного охлаждения, отопления и энергоснабжения (CCHP). MT – это газовые турбины, эволюционировавшие из турбокомпрессоров поршневых двигателей, вспомогательных силовых установок (APU) самолетов или небольших реактивных двигателей размером с холодильник. Ранние турбины могли быть спроектированы с фольговыми подшипниками и воздушным охлаждением, работающими без смазочного масла, охлаждающих жидкостей или других опасных материалов. Для максимизации эффективности при частичной нагрузке в интегрированной системе можно запускать или останавливать несколько турбин по мере необходимости. Двигатели внутреннего сгорания могут быстро реагировать на изменения потребности в мощности, в то время как микротурбины теряют больше эффективности при низких уровнях мощности. Они могут иметь более высокое отношение мощности к весу, чем поршневые двигатели, низкие выбросы и небольшое количество подвижных частей, или даже только одну. Двигатели внутреннего сгорания могут быть более эффективными, дешевле в целом и обычно используют простые подшипники скольжения, смазываемые моторным маслом. Микротурбины могут использоваться для когенерации и распределенной генерации в качестве турбоальтернаторов или турбогенераторов, или для питания гибридных электромобилей. Большая часть отработанного тепла содержится в относительно горячих выхлопных газах, что упрощает его улавливание, в то время как отработанное тепло двигателей внутреннего сгорания распределяется между выхлопной системой и системой охлаждения. Тепло выхлопных газов может использоваться для нагрева воды, обогрева помещений, сушки или абсорбционных чиллеров, которые создают холод для кондиционирования воздуха за счет тепловой энергии, а не электрической.

Эффективность

Микротурбины имеют эффективность около 15% без рекуператора, 20-30% с рекуператором и могут достигать 85% комбинированной теплоэлектрической эффективности в когенерации. Capstone Turbine заявляет об электрической эффективности 33% по нижней тепловой ценности (LHV) для своей модели C200S. В 1988 году NEDO начал проект керамической газовой турбины в рамках японского проекта New Sunshine Project: в 1999 году рекуперативная двухвальная турбина CGT302 производства Kawasaki Heavy Industries достигла эффективности 42,1% и высокой температуры на входе в турбину. В октябре 2010 года Министерство энергетики США поручило Capstone разработку двухступенчатой микротурбины с промежуточным охлаждением, основанной на их текущих двигателях, для турбины с целевой электрической эффективностью 42%. Исследователи из Технологического университета Лаппеенранты разработали двухвальную микротурбину с промежуточным охлаждением и рекуперацией, нацеленную на достижение эффективности 45%.

Рынок

По прогнозам Forecast International, Capstone Turbine займет 51,4% рынка по объему производства в период с 2008 по 2032 год, далее следуют Bladon Jets с долей 19,4%, MTT – 13,6%, FlexEnergy – 10,9% и Ansaldo Energia – 4,5%.

Ультра микро

MIT начал свой проект по созданию турбинного двигателя миллиметрового размера в середине 1990-х годов, когда профессор аэронавтики и космонавтики Алан Эпштейн рассмотрел возможность создания персональной турбины, способной удовлетворить все электрические потребности современного человека, подобно тому, как большая турбина может удовлетворить потребности в электроэнергии небольшого города. В этих новых микротурбинах возникли проблемы с теплоотводом и высокоскоростными подшипниками. Более того, ожидаемая эффективность крайне низкая – 5-6%. По словам профессора Эпштейна, современные коммерческие литий-ионные аккумуляторы обеспечивают примерно столько же, сколько турбина миллиметрового размера MIT в ближайшей перспективе, с увеличением до в долгосрочной перспективе. Аналогичная микротурбина, разработанная Бельгийским католическим университетом в Лёвене, имеет диаметр ротора 20 мм и, как ожидается, будет производить около 30% эффективности, что эквивалентно потреблению топлива в г/кВтч при удельной теплоте сгорания топлива 42,7 МДж/кг. Турбовинтовой двигатель TP R90 или TG R90 может выдавать и сжигает реактивного топлива в час в крейсерском режиме. Чешская компания PBS Velká Bíteš предлагает свой турбовинтовой двигатель TP100 весом для сверхлегких самолетов и БПЛА, потребляющий. Это эквивалентно % эффективности при удельной теплоте сгорания топлива 42,7 МДж/кг. Компания UAV Turbines из Майами разработала свой Monarch RP (ранее UTP50R) – рекуперативный турбовинтовой двигатель для самолетов максимальной взлетной массой около , который будет испытываться на БПЛА TigerShark. 10 декабря 2019 года компания представила Monarch Hybrid Range Extender – гибридный электрический демонстратор, основанный на турбине Monarch 5, представленной в сентябре, весом для двигателя и для всей системы.

Гибридные транспортные средства

При использовании в электромобилях с увеличенным запасом хода недостаток статической эффективности становится менее существенным, поскольку газовая турбина может работать на максимальной или близкой к максимальной мощности, приводя генератор для выработки электроэнергии либо для колесных моторов, либо для аккумуляторов, в зависимости от скорости и состояния заряда. Аккумуляторы выступают в роли "буфера" (накопителя энергии), обеспечивая необходимую мощность колесным моторам, что делает нечувствительной реакцию газовой турбины на изменение нагрузки. Кроме того, отпадает необходимость в значительной или переменной коробке передач; вращение генератора на сравнительно высоких оборотах позволяет использовать генератор меньшего размера и веса, чем это было бы иначе. Превосходное отношение мощности к весу газовой турбины и ее коробки передач с фиксированным передаточным числом позволяет создать значительно более легкий привод, чем в Toyota Prius (1,8-литровый бензиновый двигатель) или Chevrolet Volt (1,4-литровый бензиновый двигатель). Это, в свою очередь, позволяет увеличить вес устанавливаемых аккумуляторов, что увеличивает запас хода на одной электротяге. В качестве альтернативы, автомобиль может использовать более тяжелые, но дешевые свинцово-кислотные аккумуляторы или более безопасные литий-железо-фосфатные аккумуляторы. В электромобилях с увеличенным запасом хода, таких как те, что планируются Land Rover/Range Rover совместно с Bladon, или Jaguar также в партнерстве с Bladon, крайне медленная реакция на изменение нагрузки (высокий момент вращательной инерции) не имеет значения, поскольку газовая турбина, которая может вращаться со скоростью 100 000 об/мин, не имеет прямой механической связи с колесами. Именно эта медленная реакция на изменение нагрузки сильно затруднила работу прототипа газотурбинного автомобиля Rover 1950-х годов, который не имел преимущества промежуточной электрической трансмиссии для обеспечения резких скачков мощности по требованию водителя.