Микротурбина (МТ) — это небольшая газовая турбина с циклами и компонентами, аналогичными тяжелой газовой турбине. Отношение мощности к весу МТ лучше, чем у тяжелой газовой турбины, поскольку уменьшение диаметров турбины приводит к увеличению скорости вращения вала. Тяжелые газотурбинные генераторы слишком велики и слишком дороги для распределенных энергетических приложений, поэтому МТ разрабатываются для маломасштабной энергетики, такой как выработка электроэнергии в одиночку или в качестве комбинированных систем охлаждения, отопления и питания (CCHP). [1] МТ — это газовые турбины мощностью от 25 до 500 кВт (от 34 до 671 л. с. ), произошедшие от турбокомпрессоров поршневых двигателей, вспомогательных силовых установок самолетов (APU) или небольших реактивных двигателей , размером с холодильник . [2] Ранние турбины мощностью 30–70 кВт (40–94 л. с.) выросли до 200–250 кВт (270–340 л. с.). [3]
Они состоят из компрессора , камеры сгорания , рабочего колеса / турбины и электрогенератора на одном или двух валах. Они могут иметь рекуператор, улавливающий отработанное тепло для повышения эффективности компрессора, промежуточный охладитель и повторный нагрев . Они вращаются со скоростью более 40 000 об/мин , а обычная одновальная микротурбина обычно вращается со скоростью от 90 000 до 120 000 об/мин. [2] Они часто имеют одноступенчатый радиальный компрессор и одноступенчатую радиальную турбину . Рекуператоры сложно проектировать и изготавливать, поскольку они работают в условиях высоких перепадов давления и температуры.
Достижения в области электроники позволяют осуществлять автоматическую эксплуатацию, а технология электронного переключения мощности устраняет необходимость синхронизации генератора с электросетью, что позволяет интегрировать его с валом турбины и использовать в качестве стартера. Газовые турбины принимают большинство коммерческих видов топлива, таких как бензин , природный газ , пропан , дизельное топливо и керосин , а также возобновляемые виды топлива, такие как E85 , биодизель и биогаз . Запуск на керосине или дизельном топливе может потребовать более летучего продукта, такого как пропан. Микротурбины могут использовать микросгорание .
Полноразмерные газовые турбины часто используют шариковые подшипники. Температура 1000 °C (1270 K; 1830 °F) и высокие скорости микротурбин делают масляную смазку и шариковые подшипники непрактичными; для них требуются воздушные подшипники или, возможно, магнитные подшипники . [4] Они могут быть спроектированы с фольговыми подшипниками и воздушным охлаждением, работающими без смазочного масла, охлаждающих жидкостей или других опасных материалов. [5]
Для максимизации эффективности частичной нагрузки можно запускать или останавливать несколько турбин по мере необходимости в интегрированной системе . [3] Поршневые двигатели могут быстро реагировать на изменения потребляемой мощности, в то время как микротурбины теряют большую эффективность на низких уровнях мощности. Они могут иметь более высокое отношение мощности к весу, чем поршневые двигатели, низкий уровень выбросов и несколько или только одну движущуюся часть. Поршневые двигатели могут быть более эффективными, быть дешевле в целом и обычно используют простые опорные подшипники, смазываемые моторным маслом .
Микротурбины могут использоваться для когенерации и распределенной генерации в качестве турбогенераторов или турбогенераторов, или для питания гибридных электромобилей . Большая часть отработанного тепла содержится в относительно высокотемпературном выхлопе, что упрощает его улавливание, в то время как отработанное тепло поршневых двигателей распределяется между выхлопом и системой охлаждения. [6] Отработанное тепло может использоваться для нагрева воды, отопления помещений, процессов сушки или абсорбционных охладителей , которые создают холод для кондиционирования воздуха из тепловой энергии вместо электрической.
Микротурбины имеют около 15% эффективности без рекуператора, от 20 до 30% с одним, и они могут достигать 85% комбинированной тепловой и электрической эффективности в когенерации. [2] Тепловая эффективность рекуперируемой Niigata Power Systems 300 кВт (400 л. с.) RGT3R достигает 32,5%, в то время как 360 кВт (480 л. с.) RGT3C без рекуперации составляет 16,3%. [7] Capstone Turbine заявляет о 33% электрической эффективности LHV для своей 200 кВт (270 л. с.) C200S. [8]
В 1988 году NEDO начала проект керамической газовой турбины в рамках японского проекта New Sunshine : в 1999 году рекуперированная двухвальная 311,6 кВт (417,9 л. с.) Kawasaki Heavy Industries CGT302 достигла КПД 42,1% и температуры на входе в турбину 1350 °C (1620 K; 2460 °F) . [9] [10] В октябре 2010 года Министерство энергетики США поручило Capstone разработать двухступенчатую микротурбину с промежуточным охлаждением, созданную на основе ее нынешних двигателей мощностью 200 кВт (270 л. с.) и 65 кВт (87 л. с.), для турбины мощностью 370 кВт (500 л. с.), нацеленной на достижение электрического КПД 42%. [11] Исследователи из Технологического университета Лаппеенранты спроектировали двухвальную микротурбину с промежуточным охлаждением и рекуперацией мощностью 500 кВт (670 л.с.), нацеленную на достижение эффективности 45%. [12]
Forecast International прогнозирует 51,4% доли рынка для Capstone Turbine по объему производства в период с 2008 по 2032 год, за ней следуют Bladon Jets с 19,4%, MTT с 13,6%, FlexEnergy с 10,9% и Ansaldo Energia с 4,5%. [13]
MIT начал свой проект турбинного двигателя миллиметрового размера в середине 1990-х годов, когда профессор аэронавтики и астронавтики Алан Х. Эпштейн рассмотрел возможность создания персональной турбины, которая сможет удовлетворить все потребности современного человека в электроэнергии, так же как большая турбина может удовлетворить потребности небольшого города в электроэнергии. Проблемы возникли с рассеиванием тепла и высокоскоростными подшипниками в этих новых микротурбинах. Более того, их ожидаемая эффективность очень низкая 5-6%. По словам профессора Эпштейна, современные коммерческие литий-ионные аккумуляторные батареи обеспечивают около 120–150 Вт·ч/кг (200–240 кДж/фунт). Турбина MIT размером в миллиметр будет вырабатывать 500–700 Вт·ч/кг (820–1140 кДж/фунт) в ближайшей перспективе, а в долгосрочной перспективе ее мощность увеличится до 1200–1500 Вт·ч/кг (2000–2400 кДж/фунт). [14]
Похожая микротурбина, построенная бельгийским Католическим университетом города Лёвен, имеет диаметр ротора 20 мм и, как ожидается, будет вырабатывать около 1000 Вт (1,3 л.с.) [4] .
Французский стартап Turbotech, поддерживаемый Safran, разрабатывает турбовинтовой двигатель мощностью 73 кВт (98 л. с.) с рекуператором для повышения эффективности с 10 до 30% для удельного расхода топлива на торможение , аналогичного поршневому двигателю, но на 30 кг (66 фунтов) легче — 55 кг (121 фунт) и без сопротивления охлаждения. Turbotech утверждает, что прямые эксплуатационные расходы должны быть снижены на 30% за счет более разнообразного топлива и более низкого обслуживания с удвоенным временем между капитальными ремонтами — 4000 ч. Предназначенный для высококлассных сверхлегких двухместных самолетов и беспилотных летательных аппаратов , он будет немного дороже конкурирующего Rotax 912, но должен быть таким же конкурентоспособным на протяжении всего своего жизненного цикла. Для двухместного самолета VTOL турбогенератор мощностью 55 кВт (74 л. с.) будет весить 85 кг (187 фунтов) с топливом на 2,5 ч работы вместо 1 тонны батарей. Демонстрационный образец был запущен в 2016-17 годах, а наземные испытания начались во второй половине 2018 года, после чего во второй половине 2019 года начались летные испытания , а в первой половине 2020 года состоялась первая поставка. [ требуется обновление ] Линия окончательной сборки была создана в аэропорту Тусю-ле-Нобль недалеко от Парижа для годовой производительности в 1000 двигателей к 2025 году. [15] Эффективность в 30% эквивалентна расходу топлива 281 г/кВт·ч при 42,7 МДж/кг топлива. Турбовинтовой двигатель TP-R90 весом 64 кг (141 фунт) или турбогенератор TG-R90 может выдавать 90 кВт (120 л. с.) и сжигает 18–25 л (4,8–6,6 галлона США) реактивного топлива в час в крейсерском режиме. [16]
Чешская компания PBS Velká Bíteš предлагает свой турбовинтовой двигатель TP100 мощностью 180 кВт (240 л. с.) весом 61,6 кг (136 фунтов) для сверхлегких самолетов и беспилотных летательных аппаратов , потребляющий 515 г/кВт·ч (5,05 унций/МДж). [17] Это эквивалентно 16,4% эффективности при 42,7 МДж/кг топлива.
Базирующаяся в Майами компания UAV Turbines разработала свой рекуперируемый турбовинтовой двигатель Monarch RP (ранее UTP50R) мощностью 40 л. с. (30 кВт) для самолета весом около 1320 фунтов (600 кг) для испытаний на БПЛА TigerShark . [18] 10 декабря 2019 года компания представила свой гибридный двигатель Monarch Hybrid Range Extender — демонстрационный образец гибридно-электрического двигателя мощностью 33 л. с. (25 кВт) , созданный на основе турбины Monarch 5, представленной в сентябре, весом 27 кг (60 фунтов) для двигателя и 54 кг (119 фунтов) для всей системы. [19]
При использовании в электромобилях с увеличенным запасом хода недостаток статической эффективности не так важен, поскольку газовая турбина может работать на максимальной или близкой к ней мощности, приводя в действие генератор переменного тока для выработки электроэнергии либо для колесных двигателей, либо для аккумуляторов, в зависимости от скорости и состояния аккумулятора. Аккумуляторы действуют как «буфер» (накопитель энергии) при подаче необходимого количества мощности на колесные двигатели, что делает реакцию дроссельной заслонки газовой турбины несущественной.
Более того, нет необходимости в значительной или переменной коробке передач; вращение генератора на сравнительно высоких скоростях позволяет использовать меньший и более легкий генератор, чем это было бы в противном случае. Превосходное соотношение мощности к весу газовой турбины и ее фиксированной коробки передач позволяет использовать гораздо более легкий первичный двигатель, чем у Toyota Prius (бензиновый двигатель объемом 1,8 литра) или Chevrolet Volt (бензиновый двигатель объемом 1,4 литра). Это, в свою очередь, позволяет перевозить более тяжелые батареи, что обеспечивает более длительный запас хода только на электричестве. В качестве альтернативы, транспортное средство может использовать более тяжелые, дешевые свинцово-кислотные батареи или более безопасные литий-железо-фосфатные батареи .
В электромобилях с увеличенным запасом хода , таких как те, которые планируются [ когда? ] Land-Rover/Range-Rover совместно с Bladon или Jaguar также в партнерстве с Bladon, очень слабая реакция дросселирования (их высокий момент инерции вращения) не имеет значения, [ нужна ссылка ], потому что газовая турбина, которая может вращаться со скоростью 100 000 об/мин, не связана напрямую, механически с колесами. Именно эта слабая реакция дросселирования так сбила с толку прототип автомобиля с газовой турбиной Rover 1950 года, у которого не было преимущества промежуточной электрической трансмиссии для обеспечения внезапных скачков мощности, когда это требовалось водителю. [ нужно дополнительное объяснение ]