میکروتوربین

آشنایی با میکروتوربین ها

میکروتوربین‌ها از جدیدترین انواع توربین‌های احتراقی هستند که به منظور تولید الکتریسیته و گرما به کار گرفته می‌شوند. سابقه توسعه و گسترش روزافزون این سیستم‌ها چندان طولانی نیست و به دهه اخیر بازمی‌گردد. توسعه سیستم‌های تولید توان الکتریکی و حرارتی پربازده‌تر، با قابلیت اطمینان بالاتر و آلودگی کمتر یکی از نیازهای رو به رشد صنعت در سال‌های آینده می‌باشد و پیشرفت‌های سریع در این عرصه فرصت‌های جدیدی را برای استفاده‌کنندگان از الکتریسیته و گرما جهت کاهش هزینه‌ها، افزایش کیفیت و قابلیت اطمینان وسایل مورد کاربرد در این زمینه و همچنین کاهش خطرات زیست‌محیطی، نوید می‌دهد.
یکی از راه‌هایی که فرصت دسترسی به چنین اهدافی را فراهم می‌سازد، سرمایه‌گذاری در منابع و وسایل با ابعاد کوچک جهت تولید انرژی به صورت توزیعی (Distributed Energy) می‌باشد. سیستم‌های تولید انرژی توزیعی، سیستم‌هایی هستند که الکتریسیته، حرارت و یا توان مکانیکی را در نزدیکی محل مصرف‌کننده تولید می‌کنند. توربین‌های احتراقی، موتورهای رفت و برگشتی، سیستم‌های خورشیدی، توربین‌های بادی و سلول‌های سوختی از جمله وسایل تولید انرژی به صورت توزیعی می‌باشند. از دلایل اقبال روزافزون به استفاده از این سیستم‌ها می‌توان به تردید درباره قابلیت اطمینان سیستم‌های الکتریکی موجود، به حداقل رسانیدن افت انرژی و اهمیت محافظت از ابزارها و ادوات الکتریکی حساس در جهان مبتنی بر انفورماتیک امروزی اشاره کرد.

میکروتوربین‌ها را می‌توان در گستره وسیعی از کاربردهای مرتبط با تولید توان الکتریکی و حرارتی به کار گرفت. این وسایل در مقایسه با سایر ادوات و تکنولوژی‌های تولید انرژی‌های مذکور دارای ویژگی‌هایی به شرح ذیل هستند:
* راندمان بالا
* قطعات متحرک کم
* وزن کم
* قابلیت استفاده در محل مورد نیاز
* تولید هم‌زمان برق و حرارت (CHP)
* آلودگی بسیار پایین محیط زیست
* عمر کاری بالا
* هزینه تولید الکتریسیته پایین
* قابلیت استفاده از سوخت‌های مختلف

در حال حاضر انواع مختلفی از میکروتوربین‌ها با توان تولیدی در محدوده ۲۵ الی ۱۰۰۰ کیلو مورد استفاده قرار می‌گیرد.
اجزای اصلی میکروتوربین
از آنجا که میکروتوربین‌ها در زمره توربین‌های احتراقی می‌باشند به لحاظ اجزای تشکیل‌دهنده شباهت‌هایی با این وسایل دارند. اما ویژگی‌های طراحی خاصی وجود دارد که میکروتوربین‌ها را از سایر توربین‌های کوچک صنعتی جدا می‌سازد. به طور کلی ویژگی‌های اصلی مد نظر در طراحی میکروتوربین‌ها عبارت‌اند از:
* برخورداری ازکمپرسورهای جریان شعاعی
* نسبت تراکم پایین که توسط یک یا حداکثر دو طبقه کمپرسور ایجاد می‌شود
* استفاده حداقل ازپره‌های ثابت و خنک‌کاری در روتور که این امر با کاهش سوخت مصرفی باعث بالا رفتن
* راندمان میکروتوربین می‌شود
* بازیابی حرارت خروجی جهت پیش گرم کردن هوای ورودی به محفظه احتراق
* سرعت‌های دورانی بسیار بالا در شافت خروجی اولیه (۲۵۰۰۰ دور بر دقیقه یا بیشتر)
با استفاده از میکروتوربین‌ها در سیستم‌های ترکیبی تولید توان الکتریکی و حرارتی، می‌توان بازده کلی آن‌ها را در مقایسه با حالتی که از آن‌ها تنها برای تولید الکتریسیته استفاده می‌شود دو یا سه برابر کرد. لذا ادوات مختلفی همچون ژنراتور و تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی برای تولید الکتریسیته با ولتاژ و فرکانس مناسب و نیز مبدل‌های حرارتی، چیلرهای جذبی و رطوبت‌گیرهای هوا جهت کاربردهای حرارتی در کنار میکروتوربین بکار گرفته می‌شوند.
کاربرد میکروتوربین‌ها
به دلیل ویژگی‌هایی ذکرشده، علاقه‌مندی روزافزونی به استفاده از میکروتوربین‌ها در کاربردهای گوناگون تولید توان الکتریکی و حرارتی در محیط‌های صنعتی، تجاری و نیز محیط‌های عمومی وجود دارد. صنایع استخراج و فرآوری نفت، صنایع شیمیایی، چوب، کشاورزی، کاشی، سرامیک و نیز معادن عمده‌ترین مراکز صنعتی هستند که فرصت‌های مناسبی جهت استفاده از میکروتوربین‌ها را فراهم می‌سازند. در محیط‌های بازرگانی هم این پتانسیل در مراکزی چون ساختمان‌های اداری، رستوران‌ها و فروشگاه‌های بزرگ وجود دارد. به علاوه، مکان‌های عمومی همچون مجموعه‌های ورزشی، بیمارستانی، دانشگاه‌ها، مدارس و نیز ساختمان‌ها و تأسیسات دولتی نیز می‌توانند در زمره استفاده‌کنندگان از میکروتوربین‌ها قرار گیرند. به طور کلی زمینه‌های گوناگون موجود جهت کاربرد میکروتوربین‌ها را می‌توان به چند دسته تقسیم کرد:
تولید پیوسته توان الکتریکی
Continuous Generation
یکی از کاربردهای میکروتوربین‌ها تولید دائمی نیروی الکتریکی می‌باشد. سیستم‌های بکار گرفته شده در این زمینه از نظر طراحی و نصب ساده می‌باشند. چنین کاربردی برای آن دسته از مصرف‌کنندگان که به کارکرد مطمئن شبکه‌های سراسری انتقال نیرو و یا کیفیت الکتریسیته تحویلی از آن‌ها با توجه به حساسیت دستگاه‌ها و یا تکنولوژی مورد استفاده‌شان اطمینان کامل ندارند، مناسب می‌باشد.
خنک‌کاری،گرمادهی و تولید الکتریسیته به صورت ترکیبی
Combinedcooling,Heatingand
Power or CHP
این کاربرد فرآیندها و عملیاتی را تحت پوشش قرار می‌دهد که در آن‌ها علاوه بر نیروی الکتریکی نیاز به توان حرارتی نیز وجود دارد. به‌کارگیری حرارت ایجادشده در توربین جهت تولید توان حرارتی، بازده کل میکروتوربین را تا سه برابر افزایش می‌دهد (از حدود بازده ۳۰درصد به بازده در حدود۹۰درصد). چنین کاربردی، محققان بهینه‌ترین حالت استفاده از میکروتوربین‌ها خواهد بود. در حال حاضر زمینه‌های تکنولوژیکی این امر نیز فراهم شده است. در صورت به‌کارگیری میکروتوربین‌ها در این زمینه، بر حسب کاربرد ممکن است وسایل جانبی دیگری همچون مبدل‌های حرارتی، چیلرهای جذبی و رطوبت‌گیرهای هوا نیز بکار گرفته شوند.

پیک سایی Peak Shaving
در چنین کاربردی انرژی تولیدشده در محل به منظور اجتناب از پرداخت مبالغ هنگفت ناشی از ایجاد بار پیک و هزینه‌های بالای ادوات بکار گرفته می‌شود. در برخی مناطق اجتناب از پرداخت این هزینه‌ها (در زمان بار پیک ممکن است هزینه‌ها به ۳ الی ۵ برابر زمان عادی برسد) می‌تواند سرمایه‌گذاری انجام‌شده جهت خرید و نصب چنین تجهیزاتی را از نظر اقتصادی موجه سازد. این کاربرد از بازار گسترده‌ای برخوردار می‌باشد.
تأمین نیروی الکتریکی پشتیبان
Back Up Power
برخی مصرف‌کنندگان نیاز به انرژی الکتریکی صد در صد قابل اطمینان و همیشگی دارند. مکان‌هایی همچون بیمارستان‌ها و فرودگاه‌ها در زمره این مصرف‌کنندگان هستند. به همین منظور استفاده از سیستم‌هایی که در صورت نیاز بتوان آن‌ها را به سرعت وارد عمل نمود در چنین مکان‌هایی الزامی می‌باشد. دیزل ژنراتورها هم‌اکنون بخش عمده‌ای از بازار ادوات تأمین نیروی الکتریکی پشتیبان را در اختیار دارند. استفاده از میکروتوربین‌ها بدین منظور به فاکتورهای مختلفی همچون قیمت این دستگاه‌ها در مقایسه با دیزل ژنراتورها و نیز توانایی‌شان برای قرار گرفتن سریع و مطمئن در سیستم بستگی دارد. هزینه پایین تعمیر و نگهداری میکروتوربین‌ها از نکات مثبت آن‌ها در این کاربرد می‌باشد.
بازیابی منابع سوختی
Resource Recovery
این کاربرد در صنایعی مورد استفاده قرار می‌گیرد که عملیات و یا فرآیندهای صورت پذیرفته در آن‌ها منجر به تولید سوخت‌های جامد، مایع و یا گازی می‌شود که در حالت عادی این سوخت‌ها بدون استفاده مانده و هدر می‌روند. بارزترین نمونه این صنایع، چاه‌ها و مناطق استحصال نفت و گاز می‌باشند که گازهای ترش و با قابلیت اشتعال پایین حاصل از آن‌ها را می‌توان در راه‌اندازی میکروتوربین‌ها بکار گرفت و به تولید انرژی الکتریکی و حرارتی پرداخت. گازهای ناشی از فاضلاب‌های صنعتی و حیوانی و نیز سوخت‌های حاصل از فرآیندهای بکار گرفته شده در صنایع غذایی، کاغذسازی و تولید فولاد را نیز می‌توان به عنوان سوخت میکروتوربین‌ها
مورد استفاده قرار داد.
چشم‌انداز آینده میکروتوربین‌ها
هم‌اکنون برنامه‌های تحقیق و توسعه زیادی در جریان هستند که هدف از انجام آن‌ها افزایش کارایی میکروتوربین‌های موجود و طراحی، توسعه و آزمایش نسل‌های جدید این وسیله می‌باشد. راندمان و عمر بالاتر، قابلیت اطمینان و انعطاف‌پذیری بیشتر و نیز ویژگی‌های زیست‌محیطی مناسب‌تر از موضوعات مورد توجه این پژوهش‌ها می‌باشند. به عنوان مثالی از این برنامه‌ها، می‌توان به یک برنامه شش‌ساله که با بودجه‌ای بالغ بر ۱۲۶ میلیون دلار توسط وزارت انرژی ایالات‌متحده در دست بررسی است اشاره کرد. این برنامه که از سال ۲۰۰۰ میلادی آغاز شده است دستیابی به اهداف فوق را با تحقق و توسعه درباره کل سیستم میکروتوربین و همچنین زیرمجموعه‌ها و اجزای تشکیل‌دهنده آن دنبال می‌کند. مدل‌سازی و شبیه‌سازی سیستم و زیرمجموعه‌های آن و پیشبرد و ارتقاء تکنولوژی و مواد مورد استفاده در اجزای دستگاه از جمله این فعالیت‌ها می‌باشد.

برای دریافت فایل کامل مقاله روی آشنایی با میکروتوربین ها کلیک کنید.