معرفی میکروتوربین و آینده تولید برق غیرمتمرکز در ساختمان‌

میکروتوربین‌ها ژنراتورهای برق کوچکی هستند که سوخت‌های گازی و مایع را می‌سوزانند تا چرخش پرسرعتی ایجاد کنند که یک ژنراتور الکتریکی را به چرخش در می‌آورد.

فناوری میکروتوربین‌های امروزی نتیجه کار توسعه‌ای در توربین‌های گازی کوچک ثابت و خودرو، تجهیزات کمکی برق و توربوشارژرها است که بخش عمده‌ای از آن توسط صنعت خودرو از دهه 1950 دنبال شد.

وقتی بسیاری از مردم به میکروتوربین‌ها فکر می‌کنند، اغلب واحدهای کوچکی را تصور می‌کنند که تنها 30 کیلووات برق تولید می‌کنند.

اگرچه چنین واحدهایی جدید هستند؛ اما صنعت در طول دهه گذشته پیشرفت زیادی کرده است و واحدهای چند پکیجی این روزها می‌توانند به ظرفیت کل 30 مگاوات برسند.

با توجه به این که میکروتوربین‌ها یک فناوری نسبتاً جدید برای تولید برق هستند، جای تعجب نیست که اغلب سؤالاتی توسط مشتریان بالقوه، شرکت‌های مهندسی، تولیدکنندگان تجهیزات اصلی و سازمان‌های دولتی در مورد نحوه عملکرد میکروتوربین‌ها و تفاوت آنها با سایر اشکال سنتی‌تر تولید برق مطرح می‌شود.

این مقاله به این سؤالات می‌پردازد، ویژگی‌های اصلی میکروتوربین‌ها را شرح می‌دهد و نمونه‌هایی از نحوه استفاده از آنها در کاربردهای دنیای واقعی ارائه می‌دهد.

1# میکروتوربین چیست؟

میکروتوربین‌ها، توربین‌های گازی کوچکی هستند که می‌توانند هم برق و هم گرما تولید کنند.

خروجی الکتریکی آنها از حدود ۲۵ کیلووات تا ۲۵۰ کیلووات متغیر است.

واحدهای بین ۲۵۰ کیلووات و ۵۰۰ کیلووات معمولاً مینی توربین نامیده می‌شوند.

این دسته برای استفاده در محیط‌ های بزرگ خانگی یا تجاری کوچک طراحی شده‌اند تا هر دو شکل انرژی را تأمین کنند.

آنها معمولاً به عنوان ژنراتورهای توزیع‌شده شناخته می‌شوند؛ زیرا برق خود را در سطح توزیع شبکه تأمین می‌کنند.

میکروتوربین‌ها بسته به منبع، به عنوان توسعه‌یافته از توربوشارژرها در موتورهای خودرو یا واحدهای قدرت کمکی برای هواپیماها معرفی می‌شوند.

صرف نظر از منشأ آنها، از نظر اجزای اساسی مانند توربین‌های گازی استاندارد با محفظه احتراق، کمپرسور و توربین قدرت هستند.

جدا از اندازه، تفاوت اصلی این است که یک میکروتوربین فقط یک مجموعه پره توربین و یک مجموعه پره کمپرسور دارد.

در بیشتر میکروتوربین‌ها، ژنراتور به همراه توربین بسته‌بندی می‌شود تا یک واحد بتواند با سرعت و در مراحل آماده‌سازی جزئی نصب شود.

به دلیل اندازه کوچکشان، میکروتوربین‌ها و ژنراتورهایشان با سرعت‌های چرخشی بسیار بالا، معمولاً بین ۴۰۰۰۰ تا ۱۲۰۰۰۰ دور در دقیقه، کار می‌کنند.

ژنراتورهایی که با این سرعت‌ها می‌چرخند را نمی‌توان مستقیماً به شبکه متصل کرد.

به عنوان یک جایگزین، آنها از طریق یک رابط حالت جامد متصل می‌شوند که توان AC فرکانس بالای ارائه شده توسط ژنراتور را در صورت نیاز به ۵۰ هرتز یا ۶۰ هرتز برای همگام‌سازی با شبکه تبدیل می‌کند.

2# انواع میکرو توربین

دو نوع کلی از بسته‌های میکروتوربین موجود است؛ از جمله ساده و بازیابی شده:

• در یک سیکل ساده، هوای فشرده با سوخت مخلوط شده و تحت شرایط فشار ثابت مشتعل می‌شود.
  گاز داغ حاصل اجازه می‌یابد تا از طریق یک توربین منبسط شود و کار تولید کند.
  میکروتوربین‌های سیکل ساده راندمان کمتری در حدود ۱۵٪ دارند؛ اما در عین حال قابلیت اطمینان بالاتر، هزینه‌های سرمایه‌ای کمتر و گرمای بیشتری برای کاربردهای تولید همزمان نسبت به واحدهای بازیافت حرارتی در دسترس دارند.
  توربین‌های ساده معمولاً قوی‌تر هستند؛ اما مقدار قابل توجهی از گرمای تلف‌شده را در اگزوز توربین برای تأمین آب گرم در یک کاربرد تولید هم‌زمان تولید می‌کند.
• میکروتوربین‌های بازیابی شده از گرمای تلف‌شده برای گرم کردن هوای فشرده بین مرحله کمپرسور و محفظه احتراق دقیقاً به روشی که توربین‌های گازی صنعتی و مشتق‌شده از هوا استفاده می‌کنند، بهره می‌برند.
  واحدهای بازیابی حرارت از یک مبدل حرارتی ورق فلزی استفاده می‌کنند که گرما را از جریان اگزوز جمع‌آوری کرده و آن را به جریان هوای ورودی منتقل می‌کند و دمای جریان هوای ورودی به محفظه احتراق را افزایش می‌دهد. بازیابی بیشتر گرمای اگزوز می‌تواند در یک سیستم تولید هم‌زمان به کار گرفته شود. راندمان تبدیل انرژی سوخت به برق در محدوده 20 تا 30 درصد است.
  علاوه بر این، واحدهای بازیابی حرارت می‌توانند از طریق پیش گرمایش 30 تا 40 درصد در مصرف سوخت صرفه‌جویی کنند.
  بازیابی در یک میکروتوربین می‌تواند راندمان تبدیل کلی را بین ۱۵٪ تا ۳۵٪ افزایش دهد.

در هر دو نوع، جذب گرمای تلف‌شده برای آب گرم می‌تواند راندمان کلی تولید هم‌زمان را تا ۸۵٪ افزایش دهد.

3# اجزای یک میکروتوربین

اجزای اصلی یک میکروتوربین عبارت‌اند از:

• کمپرسور
• ژنراتور توربین
• ریکاوری کننده
• بلبرینگ

1-3# کمپرسور

قلب میکروتوربین، واحد کمپرسور است که معمولاً به همراه ژنراتور الکتریکی روی یک شفت واحد نصب می‌شود.

دو یاتاقان، شفت واحد را پشتیبانی می‌کنند.

ویژگی‌های کمپرسور در میکروتوربین به صورت زیر است:

• بخش متحرک واحد طراحی تک شفتی، پتانسیل کاهش نیازهای تعمیر و نگهداری و افزایش قابلیت اطمینان کلی را دارد.
  همچنین نسخه‌های دو شفتی نیز وجود دارد که در آنها توربین روی شفت اول مستقیماً کمپرسور را به حرکت در می‌آورد؛ در حالی که یک توربین قدرت روی شفت دوم، یک گیربکس و ژنراتور الکتریکی معمولی را که توان ۶۰ هرتز تولید می‌کند، به حرکت در می‌آورد.
  طراحی دو شفتی دارای قطعات متحرک بیشتری است؛ اما برای تبدیل خروجی توان AC فرکانس بالا به ۶۰ هرتز، به الکترونیک قدرت پیچیده‌ای نیاز ندارد.
• توربوماشین‌های میکروتوربین بر اساس کمپرسورها و توربین‌های جریان شعاعی تک مرحله‌ای هستند.
  توربوماشین‌های جریان شعاعی جریان‌های حجمی کوچک هوا و محصولات احتراق را با راندمان نسبتاً بالای اجزا مدیریت می‌کنند.
  در محدوده اندازه میکروتوربین‌ها، اجزای جریان شعاعی حداقل تلفات سطح و دیواره انتهایی را ارائه می‌دهند و بالاترین راندمان را فراهم می‌کنند.
• در میکروتوربین‌ها، شفت توربو کمپرسور عموماً با سرعت دورانی بالا، حدود ۹۶۰۰۰ دور در دقیقه در مورد یک ماشین ۳۰ کیلوواتی و حدود ۸۰۰۰۰ دور در دقیقه در یک ماشین ۷۵ کیلوواتی، می‌چرخد.
  هیچ قانون واحدی برای سرعت دورانی – اندازه توان وجود ندارد؛ زیرا ویژگی‌های طراحی خاص توربین و کمپرسور به شدت بر اندازه فیزیکی اجزا و در نتیجه سرعت دورانی تأثیر می‌گذارند.
  برای یک طراحی آیرودینامیکی خاص، با کاهش توان نامی، سرعت شفت افزایش می‌یابد. از این رو سرعت شفت بالای میکروتوربین‌های کوچک را به همراه دارد.
• کمپرسور توربین جریان شعاعی از نظر طراحی و جریان حجمی کاملاً شبیه توربوشارژرهای خودرو، کامیون و سایر موتورهای رفت و برگشتی کوچک است.
  سوپر شارژرها و توربوشارژرها تقریباً 80 سال است که برای افزایش قدرت موتورهای رفت و برگشتی با فشرده‌سازی هوای ورودی به موتور استفاده می‌شوند.

2-3# ژنراتور

میکروتوربین، توان الکتریکی را یا از طریق یک ژنراتور پرسرعت که شفت کمپرسور توربو را روشن می‌کند یا با یک توربین قدرت جداگانه که یک گیربکس و ژنراتور معمولی ۳۶۰۰ دور در دقیقه را می‌چرخاند، تولید می‌کند.

ژنراتور پرسرعت با طراحی تک شفت از یک آلترناتور آهنربای دائمی (معمولاً ساماریوم – کبالت) استفاده می‌کند و نیاز دارد که خروجی AC فرکانس بالا (حدود ۱۶۰۰ هرتز برای یک دستگاه ۳۰ کیلوواتی) برای استفاده عمومی به ۶۰ هرتز تبدیل شود.

این تنظیم توان شامل یک‌سوسازی AC فرکانس بالا به DC و سپس تبدیل DC به AC 60 هرتز است.

تبدیل توان با کاهش راندمان (تقریباً پنج درصد) همراه است.

برای راه‌اندازی یک طراحی تک شفت، ژنراتور به عنوان یک موتور عمل می‌کند و شفت توربو، کمپرسور را تا رسیدن به دور موتور کافی برای روشن کردن محفظه احتراق می‌چرخاند.

3-3# ریکاوری کننده

ریکاوری کننده‌ها، مبدل‌های حرارتی هستند که از گاز خروجی داغ توربین (معمولاً حدود ۱۲۰۰ درجه فارنهایت) برای پیش‌گرم کردن هوای فشرده (معمولاً حدود ۳۰۰ درجه فارنهایت) که وارد محفظه احتراق می‌شود، استفاده می‌کنند و در نتیجه سوخت مورد نیاز برای گرم کردن هوای فشرده تا دمای ورودی توربین را کاهش می‌دهند.

میکروتوربین‌های امروزی برای دستیابی به سطوح راندمان مورد نیاز برای رقابت در سرویس مداوم، به یک ریکاوری کننده نیاز دارند.

بسته به پارامترهای عملیاتی میکروتوربین، ریکاوری کننده‌ها می‌توانند راندمان دستگاه را بیش از دو برابر کنند.

با این حال، از آنجایی که افت فشار در هر دو سمت هوای فشرده و اگزوز توربین ریکوپراتور افزایش می‌یابد، خروجی برق معمولاً ۱۰ تا ۱۵ درصد کاهش می‌یابد.

ریکاوری کننده، همچنین دمای اگزوز میکروتوربین را کاهش می‌دهند و اثربخشی میکروتوربین را در کاربردهای CHP کاهش می‌دهند.

4-3# بلبرینگ (یاتاقان)

میکروتوربین‌ها بر روی یاتاقان‌های روغنی یا هوایی کار می‌کنند که از شفت(ها) پشتیبانی می‌کنند.

یاتاقان‌های روغنی، یاتاقان‌های مکانیکی هستند و به سه شکل اصلی عرضه می‌شوند – غلتک فلزی پرسرعت، غلاف شناور و سطح سرامیکی.

مورد دوم معمولاً از نظر طول عمر، دمای کارکرد و جریان روان‌کننده، جذاب‌ترین مزایا را ارائه می‌دهد.

اگرچه آنها یک فناوری جاافتاده هستند، اما به پمپ روغن، سیستم فیلتر روغن و خنک‌کننده مایع نیاز دارند که به هزینه و نگهداری میکروتوربین می‌افزاید.

یاتاقان‌های هوایی سال‌هاست که در سیستم‌های خنک‌کننده کابین هواپیما مورد استفاده قرار می‌گیرند.

آن‌ها به توربین اجازه می‌دهند تا روی یک لایه نازک هوا بچرخد، بنابراین اصطکاک کم و دور موتور زیاد است. نیازی به روغن یا پمپ روغن نیست.

یاتاقان‌های هوایی، سادگی عملکرد را بدون هزینه، نگرانی در مورد قابلیت اطمینان، الزامات نگهداری یا تخلیه توان سیستم تأمین و فیلتر روغن ارائه می‌دهند.

4# اصول کار یک میکروتوربین

در یک میکروتوربین ماده قابل احتراق (معمولاً گاز) در محفظه احتراق با هوایی که توسط کمپرسور پمپ می‌شود، مخلوط می‌شود.

این محصول باعث چرخش توربین می‌شود که هم‌زمان کمپرسور و ژنراتور را به حرکت در می‌آورد.

در رایج‌ترین طراحی، کمپرسور و توربین بالای همان شفت ژنراتور الکتریکی نصب می‌شوند.

اکثر واحدهای MT در حال حاضر برای عملکرد مداوم برنامه‌ریزی شده‌اند و برای دستیابی به راندمان الکتریکی بالاتر، بازیابی می‌شوند.

علاوه بر این، MTها عملیات تمیز با انتشار کم و راندمان عالی ارائه می‌دهند.

با این حال، هزینه‌های نگهداری آنها قابل توجه است.

میکروتوربین‌ها می‌توانند برای تولید همزمان برق و انرژی و تولید پراکنده به عنوان توربو ژنراتور یا توربو – آلترناتور یا خودروهای هیبریدی الکتریکی قدرتی به کار گرفته شوند.

بخش عمده‌ای از گرمای تلف شده در اگزوز با دمای نسبتاً بالا قرار دارد و همین امر جذب آن را آسان‌تر می‌کند.

در مقابل، گرمای تلف شده در موتورهای رفت و برگشتی بین اگزوز و سیستم خنک‌کننده آنها تقسیم می‌شود.

گرمای اگزوز را می‌توان برای گرمایش فضا، گرمایش آب، فرایندهای خشک کردن یا چیلرهای جذبی استفاده کرد و هوای سرد را برای تهویه مطبوع از انرژی گرمایی به جای انرژی الکتریکی ایجاد کرد.

5# مزایای میکروتوربین

میکروتوربین‌ها مزایای بالقوه زیادی برای تولید پراکنده برق ارائه می‌دهند.

نقاط قوت و ضعف منتخب فناوری میکروتوربین در ادامه فهرست شده‌اند.

1-5# عملکردی

• قابلیت اطمینان و کیفیت برق بهتری را فراهم می‌کند، به خصوص برای مناطقی که قطعی برق، نوسانات برق و غیره رایج است یا برق شهری کمتر قابل اعتماد می‌باشد.
• برق را برای کاربردهای دورافتاده‌ای که خطوط انتقال و توزیع سنتی گزینه مناسبی نیستند، مانند سایت‌های ساختمانی و تأسیسات فراساحلی، فراهم می‌کند.
• می‌تواند جایگزینی برای ژنراتورهای دیزلی برای تأمین برق در محل برای عملکردهای حیاتی باشد.
• کاهش اضافه‌بار خطوط انتقال بالادست را ارائه می‌دهد.
• بهینه‌سازی استفاده از دارایی‌های شبکه موجود از جمله پتانسیل آزادسازی دارایی‌های انتقال برای افزایش ظرفیت چرخ‌ها را انجام می‌دهد.
• صدور مجوز سریع‌تر از ارتقا خطوط انتقال را تسهیل می‌کند.
• می‌تواند در سایت‌هایی با محدودیت فضا برای تولید برق قرار گیرد.

2-5# تولیدی

• تأمین برق با کیفیت بالا برای کاربردهای حساس انجام می‌پذیرد.
• با توجه به امکان افزایش سریع‌تر ظرفیت، سریع‌تر می‌توان به تقاضاهای جدید برق پاسخ داد.
• هزینه سرمایه در دارایی‌های غیرمولد را کاهش می‌دهد.
  به جای ساخت نیروگاه‌های مرکزی افزایش و کاهش ظرفیت را در مراحل کوچک و متناسب با تقاضا می‌توان انجام داد.
• قدرت آماده به کار، زمان خاموشی را کاهش می‌دهد و کارمندان را قادر می‌سازد تا به کار خود ادامه دهند.
• صدای کمتر نسبت به موتورهای پیستونی تولید می‌کند.

3-5# پایدار

• کمترین میزان انتشار را در بین هر سیستم احتراق سوخت فسیلی بدون کاتالیزور تولید می‌کند.
• فضای کمی اشغال می‌کند و اختلال در سایت را به حداقل می‌رساند
• ارتقا زیرساخت‌ها (خط و پست) را کاهش می‌دهد یا به تعویق می‌اندازد.
• برای میکروتوربین بازیابی شده، راندمان تبدیل انرژی بالاتری نسبت به تولید مرکزی دارد.
• مدیریت مؤثرتر انرژی و بار را امکان‌پذیر می‌کند.

4-5# زیبایی‌شناسی

با سیستم‌های خارج از شبکه که نیاز به خطوط برق هوایی را از بین می‌برند، خطوط دید و چشم‌انداز را بهبود می‌بخشد.

5-5# مقرون به صرفه

با کاهش اوج تقاضا در یک مرکز، در نتیجه کاهش هزینه‌های تقاضا، صرفه‌جویی در هزینه‌ها را امکان‌پذیر می‌کند.

6-5# ایمنی بالا

میکروتوربین امنیت انرژی را تقویت می‌کند و قدرت آماده به کار، بازیابی سریع پس از یک رویداد را فراهم می‌نماید.

6# کاربرد میکروتوربین

میکروتوربین‌ها به دلیل انعطاف‌پذیری در روش‌های اتصال، قابلیت قرارگیری موازی برای تأمین بارهای بزرگ‌تر، توانایی تأمین توان پایدار و قابل اعتماد و انتشار گازهای گلخانه‌ای کم، برای کاربردهای تولید پراکنده ایده‌آل هستند.

انواع کاربردها عبارت‌اند از:

• توان بار پایه و اوج اصلاح (موازی با شبکه)
• گرما و برق ترکیبی
• قدرت مستقل
• قدرت پشتیبان یا آماده به کار
• اتصال سواره
• برق اصلی با شبکه به عنوان برق پشتیبان
• ریزشبکه
• بازیابی منابع

مشتریان هدف شامل خدمات مالی، پردازش داده‌ها، مخابرات، رستوران‌ها، اقامتگاه‌ها، خرده‌فروشی‌ها، ساختمان‌های اداری و سایر بخش‌های تجاری هستند.

در کاربردهایی، گرمای تلف‌شده از میکروتوربین برای تولید آب گرم، گرمایش فضای ساختمان، راه‌اندازی تجهیزات سرمایش جذبی یا رطوبت‌زدایی با خشک‌کن و تأمین سایر نیازهای انرژی حرارتی در یک ساختمان یا فرایند صنعتی استفاده می‌شود.

7# میکروتوربین‌ها و ساختمان هوشمند

میکروتوربین‌ها با قابلیت تولید هم‌زمان برق و حرارت، یکی از کلیدی‌ترین فناوری‌ها برای تحقق تولید غیرمتمرکز برق در ساختمان‌های هوشمند هستند.

مزایای استفاده از میکروتوربین در ساختمان‌های هوشمند به صورت زیر می‌باشد:

• راندمان فوق‌العاده (تا ۹۰%):

1. • استفاده از سیستم‌های CHP/CCHP، جهت به‌کارگیری گرمای تلف‌شده برای گرمایش آب/فضا یا تولید سرمایش جذبی
   • کاهش مصرف ۳۰-۴۰% سوخت اولیه نسبت به تولید جداگانه برق و گرما

• پاسخگویی به نیازهای هوشمندسازی: ادغام با سیستم مدیریت انرژی ساختمان (BEMS) برای بهینه‌سازی زمان کارکرد
• پایداری انرژی: امکان کار با سوخت‌های متنوع و کاهش ۲۰-۳۰% انتشار کربن نسبت به شبکه‌های مرکزی
• استقلال از شبکه: تأمین برق پایدار به‌ عنوان ریز شبکه یا منبع پشتیبان هنگام قطعی و فروش برق مازاد به شبکه

نتیجه گیری

میکروتوربین، توربین‌های کوچک سوخت‌سوز هستند که در تولید برق محلی یا سیار و کاربردهای محرک مکانیکی استفاده می‌شوند.

این سیستم‌ها بر اساس ترکیب یک توربین گازی کوچک و یک ژنراتور پرسرعت با محرک مستقیم بنا شده است و اندازه کوچکی دارند.

استفاده از میکروتوربین‌ها در کاربردهای مختلف مانند تولید هم‌زمان برق و حرارت و برق اضطراری به سرعت در حال افزایش است.

تولید هم‌زمان برق و حرارت به تولید هم‌زمان برق یا توان مکانیکی و انرژی حرارتی مفید (گرمایش و یا سرمایش) از یک منبع انرژی واحد گفته می‌شود.

این فناوری طیف گسترده‌ای از کاربردها را در بخش صنعت دارد؛ زیرا برق را در محل تأمین می‌کند.

بخش صنعتی، بخش پیشرو در بخش کاربر نهایی بود؛ زیرا میکروتوربین‌ها به طور گسترده در صنایع مختلف از جمله نفت و گاز، ساخت و ساز و تولید، داروسازی، تصفیه فاضلاب و معدن مورد استفاده قرار می‌گیرند.

میکروتوربین در مقایسه با سایر فناوری‌ها برای تولید برق در مقیاس کوچک، مزایای بالقوه متعددی از جمله سایز کوچک و کم وزن، راندمان بیشتر و فرصت‌هایی برای استفاده از سوخت‌های زائد ارائه می‌دهد.

با این سیستم‌ها بازیابی گرمای اتلافی نیز می‌تواند برای دستیابی به راندمان بیش از ۸۰٪ مورد استفاده قرار گیرد.

به دلیل اندازه کوچک، هزینه‌های سرمایه‌ای نسبتاً پایین، هزینه‌های عملیاتی و نگهداری پایین مورد انتظار و کنترل الکترونیکی خودکار، انتظار می‌رود میکروتوربین‌ها سهم قابل توجهی از مصارف تولید پراکنده را به خود اختصاص دهند.

علاوه بر این، میکروتوربین‌ها یک راه حل کارآمد و پاک برای مصارف محرک مکانیکی مستقیم مانند فشرده‌سازی و تهویه مطبوع ارائه می‌دهند.