Микротурбина (МТ) — это небольшая газовая турбина с циклами и компонентами, аналогичными тяжелой газовой турбине. Соотношение мощности и веса 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 приложений с распределенной энергией, поэтому МТ разрабатываются для малой энергетики, например, для производства электроэнергии отдельно или в качестве комбинированных систем охлаждения, отопления и электроснабжения (CCHP). [1] МТ — это газовые турбины мощностью от 25 до 500 кВт (от 34 до 671 л.с. ), созданные на основе турбокомпрессоров поршневых двигателей , авиационных вспомогательных силовых установок (ВСУ) 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 отходящее тепло для повышения эффективности компрессора, промежуточный охладитель и систему повторного нагрева . 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 сложны в проектировании и производстве, поскольку они работают в условиях высоких перепадов давления и температуры.
Достижения в области электроники позволяют работать без присмотра, а технология электронного переключения мощности устраняет необходимость синхронизации генератора с электросетью, позволяя интегрировать его с валом турбины и использовать в качестве стартера. Газовые турбины работают на большинстве коммерческих видов топлива, таких как бензин , природный газ , пропан , дизельное топливо и керосин , а также на возобновляемых видах топлива, таких как E85 , биодизель и биогаз . Для запуска на керосине или дизельном топливе может потребоваться более летучий продукт, например, пропан. Микротурбины могут использовать микросгорание .
В полноразмерных газовых турбинах часто используются шарикоподшипники. Температура 1000 ° C (1270 K; 1830 ° F) и высокие скорости микротурбин делают масляную смазку и шарикоподшипники непрактичными; для них требуются воздушные подшипники или, возможно, магнитные подшипники . [4] Они могут быть оснащены фольгированными подшипниками и воздушным охлаждением, работающим без смазочного масла, охлаждающих жидкостей или других опасных материалов. [5]
Чтобы максимизировать эффективность частичной нагрузки , несколько турбин могут запускаться или останавливаться по мере необходимости в интегрированной системе . [3] Поршневые двигатели могут быстро реагировать на изменения потребляемой мощности, в то время как микротурбины теряют большую эффективность при низких уровнях мощности. Они могут иметь более высокую удельную мощность, чем поршневые двигатели, низкий уровень выбросов и небольшое количество или только одну движущуюся часть. Поршневые двигатели могут быть более эффективными, в целом дешевле и обычно используют простые подшипники скольжения , смазываемые моторным маслом .
Микротурбины могут использоваться для когенерации и распределенной генерации в качестве турбогенераторов или турбогенераторов, а также для питания гибридных электромобилей . Большая часть отработанного тепла содержится в выхлопных газах с относительно высокой температурой, что упрощает их улавливание, в то время как отходящее тепло поршневых двигателей распределяется между выхлопными газами и системой охлаждения. [6] Отработанное тепло можно использовать для нагрева воды, отопления помещений, процессов сушки или абсорбционных охладителей , которые создают холод для кондиционирования воздуха за счет тепловой энергии, а не электрической энергии.
Микротурбины имеют КПД около 15% без рекуператора, от 20 до 30% с одним рекуператором и могут достигать 85% совокупного термоэлектрического КПД при когенерации. [2] Тепловой КПД Niigata Power Systems RGT3R мощностью 300 кВт (400 л.с.) достигает 32,5%, тогда как у RGT3C без рекуперации мощностью 360 кВт (480 л.с.) — 16,3%. [7] Capstone Turbine заявляет, что электрический КПД двигателя C200S мощностью 200 кВт (270 л.с.) составляет 33 % . [8]
В 1988 году NEDO начала проект керамической газовой турбины в рамках японского проекта New Sunshine Project : в 1999 году рекуперированная двухвальная двигатель Kawasaki Heavy Industries CGT302 мощностью 311,6 кВт (417,9 л.с.) достигла КПД 42,1% и температуры 1350 °C (1620 K; 2460). °F) температура на входе в турбину . [9] [10] В октябре 2010 года Министерство энергетики США наградило компанию Capstone разработкой двухступенчатой микротурбины с промежуточным охлаждением, созданной на основе ее нынешних двигателей мощностью 200 кВт (270 л.с.) и 65 кВт (87 л.с.) для двигателя мощностью 370 кВт. (500 л.с.) с электрическим КПД 42%. [11] Исследователи из Технологического университета Лаппеенранты разработали двухвальную микротурбину с промежуточным охлаждением и рекуперацией мощностью 500 кВт (670 л.с.), стремясь к КПД 45%. [12]
Forecast International прогнозирует, что доля рынка Capstone Turbine по объему производства в период с 2008 по 2032 год составит 51,4%, 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 проект турбинного двигателя размером в миллиметр в середине 1990-х годов, когда профессор аэронавтики и астронавтики Алан Х. Эпштейн рассмотрел возможность создания персональной турбины, которая сможет удовлетворить все требования электрических потребностей современного человека, точно так же, как большая турбина может удовлетворить потребности в электроэнергии небольшого города. В этих новых микротурбинах возникли проблемы с отводом тепла и высокоскоростными подшипниками. При этом их ожидаемая эффективность составляет очень низкую 5-6%. По словам профессора Эпштейна, современные коммерческие литий-ионные аккумуляторы выдают около 120–150 Втч/кг (200–240 кДж/фунт). Турбина MIT размером в миллиметр будет производить 500–700 Втч/кг (820–1140 кДж/фунт) в ближайшем будущем, а в долгосрочной перспективе увеличится до 1200–1500 Втч/кг (2000–2400 кДж/фунт). [14]
Аналогичная микротурбина, построенная бельгийским Католическим университетом Левена, имеет диаметр ротора 20 мм и, как ожидается, будет производить 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 %, при этом удельный расход топлива для тормозов аналогичен поршневому двигателю, но на 30 кг (66 фунтов) легче при 55 л.с. кг (121 фунт) и без охлаждающего сопротивления. Прямые эксплуатационные расходы , по мнению Turbotech, должны быть снижены на 30% за счет более разнообразного топлива и меньшего объема технического обслуживания, а также удвоенного времени между капитальными ремонтами (4000 часов). Предназначенный для высококлассных сверхлегких двухместных самолетов и беспилотных самолетов , он будет немного дороже, чем конкурирующий Rotax 912 , но должен быть таким же конкурентоспособным на протяжении всего своего жизненного цикла. Для двухместного самолета вертикального взлета и посадки турбогенератор мощностью 55 кВт (74 л.с.) будет весить 85 кг (187 фунтов) с топливом на 2,5 часа автономной работы вместо 1 тонны батарей. Демонстратор запускался в 2016–2017 годах, а наземные испытания начались во второй половине 2018 года, затем летные испытания во второй половине 2019 года и первая поставка в первой половине 2020 года. [ требует обновления ] Последняя сборочная линия была создана в Туссю- Аэропорт Ле-Нобль недалеко от Парижа с годовой производительностью 1000 двигателей к 2025 году. [15] КПД 30% эквивалентен расходу топлива 281 г/кВтч при расходе топлива 42,7 МДж/кг. Турбовинтовой двигатель TP-R90 или турбогенератор TG-R90 массой 64 кг (141 фунт) может развивать мощность 90 кВт (120 л.с.) и сжигать 18–25 л (4,8–6,6 галлонов США) реактивного топлива в час в крейсерском режиме. [16]
Чешская компания PBS Velká Bíteš предлагает турбовинтовой двигатель TP100 мощностью 180 кВт (240 л.с.) весом 61,6 кг (136 фунтов) для сверхлегких самолетов и БПЛА , потребляющий 515 г/кВтч (5,05 унций/МДж). [17] Это эквивалентно 16,4% эффективности при расходе топлива 42,7 МДж/кг.
Базирующаяся в Майами компания UAV Turbines разработала турбовинтовой двигатель Monarch RP (ранее UTP50R) с рекуперацией мощностью 40 л.с. (30 кВт) для самолетов полной массой около 1320 фунтов (600 кг) для испытаний на БПЛА TigerShark . [18] 10 декабря 2019 года компания представила свой Monarch Hybrid Range Extender, гибридно-электрический демонстратор мощностью 33 л.с. (25 кВт) на базе турбины Monarch 5, представленной в сентябре, весом 27 кг (60 фунтов) для двигателя и 54 кг. кг (119 фунтов) для всей системы. [19]
При использовании в электромобилях с увеличенным запасом хода недостаток статической эффективности менее важен, поскольку газовая турбина может работать на максимальной мощности или близкой к ней, приводя в действие генератор переменного тока для выработки электроэнергии либо для колесных двигателей, либо для аккумуляторов, в зависимости от скорости и мощности. состояние батареи. Аккумуляторы действуют как «буфер» (накопитель энергии) при подаче необходимого количества мощности на колесные двигатели, делая реакцию дроссельной заслонки газовой турбины несущественной.
Более того, нет необходимости в значительной коробке передач или коробке передач с регулируемой скоростью; вращение генератора на сравнительно высоких скоростях позволяет использовать генератор меньшего размера и легче, чем в противном случае. Превосходное соотношение мощности и веса газовой турбины и ее фиксированной коробки передач позволяет использовать тягач гораздо легче, чем Toyota Prius (бензиновый двигатель объемом 1,8 литра) или Chevrolet Volt (бензиновый двигатель объемом 1,4 литра). Это, в свою очередь, позволяет переносить более тяжелый вес батарей, что обеспечивает больший запас хода только на электричестве. В качестве альтернативы в автомобиле можно использовать более тяжелые и дешевые свинцово-кислотные аккумуляторы или более безопасные литий-железо-фосфатные аккумуляторы .
В электромобилях с увеличенным запасом хода , подобных запланированным [ когда? ] Land-Rover/Range-Rover в сочетании с Bladon или Jaguar также в партнерстве с Bladon, очень плохая реакция дроссельной заслонки (их высокий момент инерции вращения) не имеет значения, [ нужна ссылка ] , потому что газовая турбина, которая может крутиться со скоростью 100 000 об/мин, не связан напрямую, механически с колесами. Именно эта плохая реакция дроссельной заслонки так сбила с толку прототип автомобиля Rover с газовой турбиной 1950 года, который не имел преимущества промежуточной электротрансмиссии, позволяющей обеспечить внезапные скачки мощности, когда этого требует водитель. [ нужны дальнейшие объяснения ]