پایان نامه كاربرد ميكروتوربين ها در فناوري هاي جديد توليد انرژي الكتريكي (پيل هاي سوختي – توليد همزمان برق و حرارت)
خلاصه
توليد توزيع شده انرژي الكتريكي يكي از اهدافي است كه مدتها مورد توجه بوده است. امروزه با گسترش سيستم هاي مختلف توليد انرژي الكتريكي در ساختمان هاي اداري و يا ساختمان ها و مجتمع هاي بزرگ و متوسط، روشهاي گوناگوني مانند استفاده از انرژي خورشيدي، انرژي باد، پيل هاي سوختي و انواع ديزل ژنراتورها مورد استفاده قرار مي گيرد. اما هر كدام از اين روش ها داراي مزيت ها و معايب مخصوص به خود مي باشد. داشتن يك سيستم توليد انرژي قابل اعتماد، كم هزينه و هميشه در دسترس، استفاده از توربين هاي گازي كوچك را به عنوان كانديد مهمي معرفي نموده است. ميكروتوربين هاي گازي در واقع توربين هاي گازي با مقياس بسيار كوچك و ساده تر مي باشند. اين توربين ها داراي ساختار و اندازه ساده اي بوده و به راحتي با استفاده از انواع سوخت ها مي توانند به توليد انرژي الكتريكي با استفاده از ژنراتورهاي تركيب شده با خود بپردازند.
هزينه انتقال و توزيع برق سهم بالائي از هزينه توليد انرژي را در بر مي گيرد اين ميزان براي شبکه هاي رايج تا 500 دلار به ازاي هر KW مي رسد. در مسير انتقال و توزيع الکتريسيته تا 7% انرژي هدر مي رود بنابراين چنانچه توزيع توليد جايگزين انتقال و توزيع الکتريسيته گردد هزينه انرژي الکتريکي به مقدار قابل توجهي کاهش خواهد يافت. در صنعت برق آمريکا در دهه 1990 توزيع توليد گسترش بيشتري يافته بطوريکه 20% نيروگاههاي جديدالتاسيس از نوع واحدهاي کوچک مي باشند. براساس اطلاعات موجود در حدود 10GW از نيروگاههاي موجود در گستره 1-10 مگا وات مي باشند که حدود 80% آن را نيروگاههاي ديزلي (رفت و برگشت) تشکيل مي دهند. قسمت اعظم واحدهاي کوچک توليد برق توسط کارخانه کاترپيلار (Caterpillar) ساخته شده اند. جنرال الکتريک (GE) ، زيمنس و ABB نيز در اين زمينه با کاترپيلار رقابت دارند موتورهاي رفت و برگشتي از لحاظ اقتصادي بسيار مقرون به صرفه بوده و قطعات يدکي و سرويس آنها نيز به سادگي در سراسر دنيا در دسترس است ولي نکته منفي اين ماشينها نگهداري و آلودگي ايجاد شده توسط آنهاست. گرچه تلاشهاي زيادي در زمينه بهبود اين دو مسئله براي ماشينهاي رفت و برگشتي مي شود ولي ميکروتوربينها از لحاظ نگهداري و ايجاد آلودگي وضعيت بهتري در مقايسه با موتورهاي ديزلي دارند.
زمانيکه ميکروتوربين مدل 330 توسط کپستون ارائه شد موجب معرفي فن آوري جديد ميکروتوربين گرديد. البته تاکنون يک تعريف دقيق براي ميکروتوربين نشده است ولي معمولا” اين لفظ براي توربين هاي گازي با سرعت بالا در گستره قدرت 15-300 کيلو وات بکار ميرود. صنعت ميکروتوربين در چند تکنولوژي توربين هاي گازي کوچک، مولدهاي کمکي و اتوموبيل هاي توربو مطرح گرديد. هسته اصلي يک ميکروتوربين قسمت توربين – کمپرسور است که با سرعت بسيار بالا دوران مي کند (در مدل Capstone 330 سرعت دوران96000 rpm مي باشد) و در امتداد آن ژنراتور با سرعت بالا وجود دارد که داراي مغناطيس هاي دائمي است. يک پارامتر کليدي جهت کاهش اصطکاک استفاده از ياتاقانهاي هوائي يا بعبارتي ياتاقانهاي گازي است که ضمن کاهش اصطکاک عمر ياتاقان را نيز افزايش داده و امکان داشتن سرعت بالا را فراهم مي کند.
ژنراتور سرعت بالا برق با فرکانس بالا در مدل Capstone 330 ، 1600 HZتوليد کرده وفرکانس برق توليدي به روش الکترونيکي به مقدار مناسب کاهش مي يابد.
بطور کلي ميکروتوربين دو مزيت عمده دارد يکي کاهش تزريق آلاينده ها به محيط و ديگر کاهش تعميرات در مقايسه با مولدهاي ديگر مي باشد.مقادير توليدي THC , CO , NOx هيدروکربوهادر محصولات خروجي ميکروتوربين کمترين است.
در ارتباط با تعميرات تجربه نشان داده که ميکروتوربين ها نياز به تعميرات بسيارکمي دارند. بطور نمونه يک واحد ميکروتوربين در Tulsa بعد از 20000 ساعت کار تنها نياز به تعويض فيلترهاي هوا داشته است. بعلاوه ميکروتوربين ها سبک وکوچک هستند و عملکرد آنها با لرزش کم و توليد صداي اندک همراه است.
نکته ديگري که براي ميکروتوربين ها وجود دارد چگونگي اتصال به شبکه سراسري برق است. اين مسئله به کمک الکترونيک و ميکروپروسسورها تا حد زيادي مرتفع شده و همچنان در حال پيشرفت مي باشد. البته به غير از مسئله تکنيکي اشاره شده در صنعت برق آمريکا جهت اتصال به شبکه، شرايط حداقلي لازم است که اين نيز مسئله اي براي ميکروتوربين ها وجود دارد ولي اين شرايط در حال بهبود بوده و ارتباط ميکروتوربين ها با شبکه سراسري آسانتر شده است.
مسئله ديگري که در گسترش ميکروتوربين ها مطرح است هزينه تمام شده مي باشد اين هزينه براي يک واحد تا 1100 دلار بازاء هر KW مي باشد گرچه اين مبلغ کمتر از مقادير مربوط به واحدهاي توزيع قدرت مشابه مانند توربين هاي بادي و پيل سوختي است ولي از ميزان 500 دلار مربوط به واحدهاي ديزلي بيشتر است. چنانچه ميکروتوربين ها به تعداد زياد مورد استفاده قرار گيرند هزينه اشاره شده در بالا کاهش يافته و با هزينه مربوط به انواع ديزلي قابل رقابت بوده بخصوص که از لحاظ تعميرات بسيار بهتر از واحدهاي ديزلي مي باشند.
ترکيب ميکروتوربين ها با تجهيزات ذخيره انرژي (مانند باطري ها و چرخ لنگرها) موجب بهبود کيفي برق توليدي و افزايش قابليت سيستم خواهد شد. امکانات ايجاد شده توسط شبکه اينترنت و کامپيوترهاي حساس موجب افزايش کارآئي صنعت توليد برق شده است. البته توليد برق تنها مسئله ميزان KWh نيست بلکه بيشتر مسئله کيفيت و قابليت در مدار بودن برق توليدي است. بيشتر قطعي برق در شبکه ها در قسمت توزيع مي باشد که بهترين راه حل اين مسئله توزيع توليد مي باشد. با توجه به آلودگي کم ميکروتوربين ها و بخصوص عدم استفاده از روغن در ياتاقانها امکان استفاده از محصولات خروجي توربين در بعضي فرآيندهاي صنعتي وجود دارد و مي توان از اين واحدها در سيستم هاي توليد مشترک قدرت و حرارت بنحو مناسب استفاده کرد. در اينصورت راندمان کلي واحد تا 70-80% افزايش خواهد يافت. استفاده بعنوان شارژر باطري در بعضي از اتومبيل هاي جديد (باتوجه به آلودگي کم) مورد توجه قرار گرفته که اين مورد بطور عملي در نوعي اتوبوس در آمريکا استفاده شده و نتيجه مثبت داشته است
1-1 : مقدمه
يك ميكرو توربين محوري تك مرحله اي كه با روتوري به قطر mm 10 ساخته شده است . اين توربين اولين گام در جهت توليد انرژي الكتريكي از سوخت توسط ميكروتوربين است ، توربين از فولاد زنگ نزن ساخته شده است كه سوراخ هايي و يك سيستم مولد الكتريكي روي آن جاي داده شده است . اين توربين در سرعت هاي بالاتر ازrpm 16000 آزمايش شده و بيش ترين انرژي الكتريكي توليد شده 28W با راندمان %18 است . وقتي به يك مولد كوچك متصل شد آن مولد 16W توان الكتريكي توليد مي كند كه راندمان كل سيستم برابر %10.5 است .
خيلي از وسايل قابل حمل از باتري براي توان تغذيه خود استفاده مي كنند باتري هاي رايج Li-ion كه چگالي انرژي بيشتر از 0.5 ميلي ژول بر کيلوگرم دارند اما هنوز محدوديت هايي را دارا هستند براي نمونه هايي چون رايانه هاي همراه و تلفن هاي بي سيم .
مدت زمان شارژ كردن به عنوان مشكل مطرح است . از سوي ديگر سوخت يك چگالي انرژي زيادي را در حدود 45 ميلي ژول بر کيلوگرم ارائه مي دهد و مخزن مي تواند به سادگي دوباره پر شود . بنابراين گروه هاي مختلفي روي توسعه اساسي ريزمولدهاي توان در سلول هاي سوختي كار مي كنند .
وسايل هاي ترموالكتريكي (برقي- حرارتي ) موتورهاي رفت و برگشتي احتراق داخلي ، موتورهاي ونكل و توربين هاي گازي ، اين مقاله راجع به ميكروتوربين است كه يك توربين توليد محوري كه با ماشين دشارژ الكتريكي (EDM) ساخته شده است .
ميكرو توربين ساخته شده در MIT با توربين توليد شعاعي و با قطر روتور 4 ميلي متر است كه با روش ليتوگرافي si يا sic توليد شده است . ميكرو توربين ساخته شده در StonFord يك توربين محوري – شعاعي است، با يك روتور به قطر mm 12 كه با نيتريد سيلسيم ريخته گري شده در ژل- چدن و با استفاده از قالب مومي ساخته شده است . گروه دانشگاه توهاكو و دانشگاه توكيو از محورهاي شعاعي مثل طراحي محوري – شعاعي استفاده عاقلانه اي كرده اند.
1-1-1 : تأثير مقياس ميكرو توربين
كاهش مقياس چندين تأثير بر ساختمان و انتخاب سوخت توربين مي گذارد.
1-1-1-1 : افزايش چگالي توان با مينياتورسازي .
تحليل ابعادي نشان مي دهد كه توان توليدي p توسط توربو ماشين متناسب است با چگالي گاز r و با توان پنجم قطر D و توان سوم سرعت دوراني n براي يك نسبت تراكم مشخص و شرايط ورودي ثابت و سرعت سيال هنگام خروج از نازل ثابت است و مستقل از اندازه نازل است بنابراين سرعت پيرامون توربين ثابت است و مستقل از اندازه توربين است اين يعني كه در يك شرايط كاري بهينه اندازه و سرعت دوراني نسبت عكس دارند بدين ترتيب چگالي توان با مقياس نسبت عكس دارد بدين ترتيب چگالي توان توربو ماشين افزوده مي شود . با جايگذاري يك توربو ماشين توسط ماشين هاي كوچكتر از k كه هر يك با k ام قدرت ، حجم كل و جرم مي تواند توسط يك فاكتور k كاهش يابد . اين جرم كاسته شده براي مقادير مربوط به دانش هوا فضا و كاربردهاي فضايي مناسب و سودمند است . جايگزيني يك توربوماشين بزرگ بوسيله چند توربوماشين كوچك ، همچنين اصلاح ضريب اطمينان بويژه زماني كه وسايل تكراري اضافه شده باشند .
چنانچه در بخش 3-2 نشان داده مي شود با كوچك سازي ، عدد رينولدز كاهش مي يابد كه در چگالي توان اثر منفي كمي دارد .
چگالي توان در توربو ماشين مينياتوري به جهت دلايل فني محدوديت دارد . توربو ماشين هاي كوچك نمي توانند با دقت لازمه براي جزئيات آن ساخته شوند و همچنين انجام دادن آن متفاوت از مقادير محاسبه شده در قانون مقياس است
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.