میکرو توربین یک تکنولوژی به بلوغ رسیده،قسمت سوم و آخر

قسمت اول

قسمت دوم

مطالعات اخیر

در ادامه دو نمونه از تأسیساتی که از میکروتوربین استفاده کردند را برای توضیح بیشتر موضوع ذکر می کنیم. اولین نمونه یک کاربری از سوختهای تجدیدپذیر است که از یک میکروتوربین 200کیلووات استفاده می کند. این تأسیسات در حدود 2 سال است که راه اندازی شده است. دومی یک کاربری از دو یو.پی.اس دورگه 65 کیلوواتی است که در مرکز داده ی یک دانشگاه نصب شده است.

تأسیسات تصفیه آب

تا بهار 2009 مشعل تولید بیوگاز ،که به صورت دائم می سوخت، نشانه ی مرکز تصفیه آب کوساتو در ایتالیا بود. گازی که هدر می رفت اسباب زحمت تأسیسات بود(تصویر-5)

تصویر5-بازیافت بیوگاز- مرکز تصفیه آب کوستا اسپولینا بیوگازهای تولید شده را می سوزاند تا اینکه با نصب میکروتوربینها توانستند از بیوگاز تولید شده برای تولید برق و حرارت استفاده کنند.

امروزه یک میکروتوربین کپستون سی.آر-200 تمام انرژی الکتریکی مورد نیاز تأسیسات و حرارتی که سبب می شود تأسیسات با بهترین بازده کار کنند را تأمین می کند.(تصویر-6) این روش ساده و برازنده به عنوان نمونه ای در تأسیسات تصفیه آب در اقصا نقاط جهان الگو برداری شده است.

تصویر6-سیستم بسته. یک میکروتوربین کپستون نصب شده در مرکز تصفیه آب کوستا اسپولینا که بیوگاز را می سوزاند و برق مورد نیاز مرکز را تأمین می کند حرارت بازیافت شده از میکروتوربین نیز استفاده می شود.

اعداد واقعیت را بهتر بیان می کنند. اول اینکه این توربین 1.7 میلیون کیلووات ساعت در سال تولید انرژی الکتریکی داشته است که مصرف تأسیسات را با صرف 2600 متر معکب بیوگاز ،که قبلا در مشعل می سوخت، پوشش داده است. دوم اینکه یک مبدل حرارتی خارجی ،که بر روی کنار آن نصب شده است، 2.3 میلیون کیلووات ساعت انرژی حرارتی برای گرم کردن دایجسترها ایجاد کرده است. به همراه هم، ترکیب حرارت و توان الکتریکی تولید دی اکسید کربن را 1.8 تن در سال پایین آورده است. واحد دوم برای این تأسیسات در حال نصب می باشد. در عرض 18 ماه این واحد هزینه ی خود را درخواهد آورد و احتمالا یک طرح انقلابی در مراکز تصفیه آب برای تولید همزمان حرارت و انرژی الکتریکی خواهدشد.

مرکز داده ی دانشگاه سیراکوز

دوازده دستگاه یو.پی.اس دورگه کپستون سی-65 اخیرا در مرکز داده ی جدید دانشگاه سیراکوز در نیویورک نصب شده اند. این تأسیسات در دسامبر 2009 عملیاتی شد. دانشگاه سیراکوز در ساخت یک مرکز داده ی سبز شریک آی.بی.ام و مرکز تحقیق و توسعه ی ایالتی است تا نیاز به انرژی الکتریکی را تا 50 درصد مرکز داده های معمولی پایین بیاورند. تصویر 7 میکروتوربینهای نصب شده را نمایش می دهد. مساحت کلی این مرکز 12هزار فوت مربع است که نیمی از آن به تجهیزات کامپیوتری اختصاص یافته است.

تصویر7-12 میکروتوربین 65 کیلوواتی کگستون به یو.پی.اس که حرارت خروجی گازهایش بازیافت می شود تا برای تولید سرما یا گرما در دیتاسنتر دانشگاه سیراکوز بکاربرده شود.

این طرح از چند رهیافت بدیع برای کاهش انرژی مورد نیاز استفاده کرده که عبارتند از:

·        یو.پی.اس های دورگه به همراه CCHP. میکروتوربینهای کپستون با گازطبیعی کار می کنند و خروجی تمیز آنها برای گرم کردن آب در مبدلهای حرارتی سنتی و سردکردن آب در چیلرهای جذبی بکار می رود. در صورت نیاز، گازهای خروجی آنها به یک یا هر دو مصرف کننده منتقل می شود. در نتیجه در مقایسه با رویکرد معمولی ،خرید برق از شبکه های محلی، بازده بیشتری به دست آمده و بدون نیاز به آبگرم کن هایی که گاز می سوزانند یا چیلر های جذبی نیازهای حرارتی و برودتی ساختمان برآورده شده ا ند. بهینه سازی دیگری که در بازده صورت گرفت کاهش مبدلهای توان ،درمقایسه با اضافه کردن یو.پی.اس های دوطرفه ی سنتی، در زمانی است که بارهای حساس توسط میکروتوربینها تأمین می شوند.

·        آب سرد شده برای سردکردن تجهیزات. آی.بی.ام از مبدلهای حرارتی جدیدی پرده برداری کرده که سرورهایش را به صورت موثری خنک کنند. آب خنک شده از مبردهای جذبی ،برخلاف هوای خروجی پنکه ها، می توانند در جایی که بیشترین تأثیر را دارند بکار برده شود.

·        توزیه توان DC. قسمتی از بارهای حیاتی سیستم با جریان مستقیم کار می کنند که استفاده از این روش تلفات انرژی ناشی از چند کنورتور را کاهش می دهد.

به عنوان قسمتی از توافق بین دانشگاه سیراکوز، آی.بی.ام و مرکز تحقیق و توسعه ی ایالتی، دانشگاه باید کارآیی این سیستم را ،در مقایسه با یک ساختمان معمولی، مانیتور کند تا انرژی ذخیره ش تأیید شود و استانداردی برای پیش بینی خصوصیات دیتاسنترهای آینده با همین بهینه سازی انرژی به دست آید.

یکپارچه سازی با نیروگاه های خورشیدی

در ماه جولای، کپستون و هلیوفوکوس نشان دادند که چگونه انرژی خورشید می تواند یک میکروتوربین را به حرکت درآورد. این نمایش با یک میکروتوربین کپستون سی-65 و یک دریافت کننده ی خورشیدی جدید ساخت هلیوفوکوس بر روی یک برج نوری ثابت در انستیتوی ویزمان در رهووت اسرائیل انجام شد. دریافت کننده های خورشیدی انرژی را برای تهیه ی گرمای لازم برای به چرخش درآوردن میکروتوربین متمرکز می کنند. بهره برداری از سیستم شبیه دیگر پروژه هایی است که از اشعه ی متمرکز شده ی خورشید[i](CSP)  استفاده می کنند اما به جای اینکه یک مایع را گرم کنند هوای فشرده را گرم می کنند که در توربین ایجاد گشتاور می کند.

گفته می شود که این روش استفاده از انرژی های تجدید پذیر برای سیستم های از 30کیلووات تا 5 مگاوات بازده بالاتری دارد. مزیت بزرگ آن در این است که انرژی خورشیدی در طی روز توربین را به چرخش در می آورد و شب هنگام می توان توربین را با استفاده از گاز طبیعی یا دیگر منابع سوختی تجدیدپذیر راه اندازی کرد.

پی نوشت: دوستان می توانند برای کمک مالی به این وبلاگ هر مبلغی را که مایل بودند به شماره کارت زیر واریز نمایند.

6104-3378-7718-1469

بانک ملت به نام رضا کیانی موحد

---

[i] concentrated solar power

میکرو توربین یک تکنولوژی به بلوغ رسیده،قسمت دوم

قسمت اول

میکروتوربینها نیاز اتصال به شبکه های مختلف را پوشش می دهد

بعضی از مناطق جهان اتصال شبکه به ژنراتورهای سنکرون سنتی را به خاطر تزریق خطای جریان آنها در شکبه های توزیع محدود کرده اند. بیشتر میکروتوربینها از قطعات الکترونیک قدرت به همراه کنترل کننده های دیجیتال بهره می گیرند. این روش به آنها اجازه می دهد تا شبکه هایی که توسط رله های حفاظتی پوشش داده شده اند ،از جمله آنها که محدودیت جریان در شرایط خطای آنها وجود دارد، با میکروتوربینها یکپارچه شوند.

بیشتر میکروتوربینها از قطعات الکترونیک قدرت برای تبدیل خروجی با فرکانس بالای خود به فرکانس 50 یا 60 هرتز و ولتاژ 400 تا 489 ولت 3 فاز متناوب،مناسب برای مصرف کننده ها، استفاده می کنند. ولتاژ متناوب فرکانس بالای توربوژنراتورها در ابتدا وارد یک اینورتر می شود و به ولتاژ مستقیم تبدیل می شود. یک اینورتر دوم از ولتاژ این باس جریان مستقیم داخلی استفاده می کند و ولتاژ متناوبی با فرکانس مناسب ایجاد می کند. این خروجی برای رعایت استاندارد IEEE 519 درباره ی هارمونیکها فیلتر می شود.

یکی از مزایای این گونه میکروتوربینها در این است که خروجی اینورتر حفاظت شده  است و بنابراین نیاز چندانی به تجهیزات اضافی حفاظتی برای اتصال به شبکه های محلی نمی باشد.

میکروتوربینها یکپارچه سازی سیستمها را امکان پذیر می کنند

واحدهای متفاوت می توانند به یک میکروشبکه وصل شوند که مزایای زیادی را برای صاحبان آنها به همراه دارد. یک کنترل کننده ی قدرت شبکه می تواند ژنراتورهای مختلف را برای سنکرون کردن خروجی آنها مدیریت کند، توان خروجی آنها را بری رسیدن به بهترین بازده تنظیم کند و یک ژنراتور را آماده بکار نگه دارد تا شبکه بتواند در برابر تغییرات بار ناگهانی واکنش نشان دهد. نتیجه، یک پکیج منفرد "مجازی" است که می تواند مانند یک سیستم یکپارچه با فرکانس واحد و مشخصه های کنترل شده عمل کند.

یکی از مزایای چنین سیستم یکپارچه ای در این است که ماجولهای قدرت می توانند روشن یا خاموش شوند تا بازده بارگذاری پله ای بر روی شبکه بهینه شود. این مشخصه می تواند هنگامی که انتظار می رود بارهای شبکه در طی کارکرد متغیر باشند یا در جایی که شرایط اولیه ی نصب بر اساس رشد بار در آینده لحاظ شده باشد ارزشمند باشد. این گونه شبکه ها همچنین می توانند برای مدیریت اوج بار نیز سودمندباشند. در تصویر4 بازده بارپله ای 5 دستگاه میکروتوربین 200 کیلووات موازی با هم در مقایسه با یک توربین بزرگ به نمایش درآمده است. منطقه ی بین دو منحنی نشانگر سوخت صرفه جویی شده می باشد.

تصویر4- نمودار بازده-توان یک میکروتوربین 200 کیلووات در مقایسه با یک توربین معمولی بزرگ. ناحیه ی بین دو منحنی میزان انرژی صرفه جویی شده را نشان می دهد

همچنین توانایی سنکرون کردن خودکار توان خروجی با یک شبکه یا بین چند میکروتوربین می تواند در کنترل کننده های میکروتوربینها نیز یکپارچه شود. این مشخصه هماهنگی بین نیروگاه ها مختلف را ساده تر می کند و اجازه می دهد تا توان چند دستگاه میکروتوربین در یک پیکیج یکپارچه شود.

میکروتوربینها یک منبع توان مطمئن را فراهم می کنند

میکروتوربینها می توانند به صورت دائم برای مدتی طولانی و با کمترین قطعی برای تعمیرات کاربکنند. آنها همچنین کاملا قابل اعتمادند و مناسب برای مشتریانی که نیاز به یک منبع همیشه در دسترس و مطمئن توان دارند. کپستون در رسیدن به این خصوصیات پیشتاز است و همراه با توانایی که در زمینه الکترونیک قدرت و ساخت یو.پی.اس دارد سیستم تولید انرژی خود را "یو.پی.اس دورگه" نامیده است.

این سیستم شامل دو اینورتر جداگانه است که ال.سی.ام-1 و ال.سی.ام-2 نام دارد. ال.سی.ام-2 به عنوان یک اینورتر اتصا به شبکه عمل می کند و شامل رله های حفاظتی یکپارچه است که برای اتصال میکروتوربین به شبکه مورد نیازهستند. همچنین ال.سی.ام-1 یک اینورتر دو طرفه است که به اجازه می دهد توان از شبکه کشیده شده یا به شبکه تزریق شود. ال.سی.ام-2 یک اینورتور مستقل است، بدین معنی که علی رغم اینکه ولتاژ باس شبکه چه باشد ولتاژ لازم برای بارهای حیاتی را تهیه می کند. در داخل یو.پی.اس دورگه یک باس جریان مستقیم وجود دارد که ال.سی.ام-1 و ال.سی.ام-2 را به هم وصل می کند و اجازه می دهد که توان از میکروتوربین و باتریهای خارجی سیستم ذخیره وارد شود.

در وضعیت یو.پی.اس توان از شبکه کشیده شده و توسط ال.سی.ام-1 به باس دی.سی تزریق شده و از طریق ال.سی.ام-2 به بارهای حیاتی تحویل داده می شود. این روش همانی است که در یک یو.پی.اس سنتی دو طرفه اعمال می شود. به هرحال، یو.پی.اس دورگه وضعیت بهره برداری اضافه ای نیز دارد که به نام "وضعیت بازده بالا" معروف است. در این وضعیت بهره برداری میکروتوربین روشن بوده و توان باس AC را از طریق ال.سی.ام-2 تأمین می کند. نوعا، این میکروتوربین قسمتی از یک سیستم CHP یا CCHP نیز می باشد که توانی با بازده بالا ایجاد می کند که می تواند نیازهای مصرف کننده به انرژی حرارتی را کاهش دهد. این سیستمها به بالاترین بازده می رسند و بنابراین هنگامی که نیازهای حرارتی یک سیستم CHP یا CCHP را تأمین می کنند، بهترین جبران کننده ی اقتصادی هستند.

طرح یو.پی.اس دو رگه تأمین بارهای حرارتی را اجازه می دهد و نیاز ندارد که میکروتوربین همان حجم توان مورد نیاز بارهای حیاتی شبکه را تولید کند. این امر بدین خاطر است که ال.سی.ام-1 به توان اجازه می دهد که از قسمتهای غیرحیاتی شبکه ی توزیع برداشته بشود و یا توان را به گونه ای که برای تأمین نیازمندی های بارهای حیاتی لازم است به سمت خود بکشد.

سومین وضعیت بهره برداری"وضعیت اضطراری" است که در آن میکروتوربین یا باتری های ذخیره ی خارجی می توانند بارهای حیاتی را در زمانی که شبکه از دست می رود تأمین کنند. تغییر وضعیت بین تمامی وضعیت های ذکر شده بدون وقفه است، بنابراین بارهای حیاتی نوسانی در ولتاژ ،که به مراکز حساس ذخیره ی اطلاعات یا تجهیزات مخابراتی آسیب می زنند، نخواهند داشت.

میکرو توربین یک تکنولوژی به بلوغ رسیده،قسمت اول

استفان ژیلت معاون مدیرعامل شرکت کپستون

مترجم: رضا کیانی موحد

میکروتوربینهای امروزی با توان 200 تا 250 کیلووات تکامل یافته ی میکروتوربینهای اولیه با توان 30 تا 70 کیلووات هستند. امروزه پکیجهایی با توان 1 مگاوات ساخته شده اند که می توان توسط آنها واحدهای تولید نیرو به توان 5 تا 10 مگاوات را راه اندازی کرد. این پکیجهای با سیستمهای حفاظتی دیجیتال، سنکرونیزم، تجهیزات کنترلی به صورت یکپارچه عرضه می شوند و دارای بازده حرارتی و الکتریکی بالایی هستند و می توانند با انواع سوخت ها کار بکنند.

میکروتوربینها یک تکنولوژی نسبتا جدید در حوزه ی تولید انرژی هستند. بنابراین سوالات خریداران بالقوه، مهندسین، تولید کنندگان قطعات و سازمانهای دولتی درباره ی کارآیی آنها و تفاوت آنها با روشهای سنتی تولید برق نباید غافلگیرکننده باشد. در این مقاله برای پاسخ به این سوالات مشخصات اصلی میکروتوربینها توضیح داده شده اند و چند مثال از اینکه چگونه آنها در دنیای واقعی به کار برده می شوند آورده شده است.

 

1- بازدید ساده: یک میکروتوربین 65 کیلووات کپستون در حال بازدید توسط متخصصین فنی

ساختمان نوعی یک میکروتوربین

میکروتوربینها یک نوع ساده از توربینهای گازی هستند که دارای یک کمپرسور محوری و توربین بوده و اغلب هر کدام دارای یک طبقه می باشند. آنها نوعا از انرژی گازهای خروجی برای پیش گرم کردن هوای ورودی استفاده می کنند تا در مقایسه با یک ماشین حرارتی معمولی بازده الکتریکی بالاتری داشته باشند. مبدل حرارتی هوا-هوا به نام "بهبوددهنده" نامیده می شود و تمامی سیستم نوعا یک سیکل بهبودداده شده نام دارد.

تصویر2 یک نمای برش خورده از داخل یک میکروتوربین 65 کیلووات کپستون و اجزای داخلی آن را نشان می دهد. این مجموعه اغلب یک "توربوژنراتور" نامیده می شود چرا که میکروتوربین به یک ژنراتور وصل شده است. شفت توربین، کمپرسور و ژنراتور با سرعت 96000 دور/دقیقه می چرخند. بنابراین خروجی ژنراتور یک موج سینوسی فرکانس بالا است که باید برای تبدیل به فرکانس برق شهر (50 یا 60 هرتز) از فرکانس خروجی کاسته شود.

 

2- نمای داخلی یک توربوژنراتور کپستون.  هوای محیط در کمپرسور فشرده می شود، سوخت در محفظه ی احتراق به آن تزریق شده و با سوخت آن درجه حرارت هوا بالامی رود. گازهای پرفشار خروجی از توربین می گذرند و گشتاور خروجی را ایجاد می کنند. مبدل حرارتی حرارت گازهای خروجی را برای گرم کردن هوای ورودی بکار می برد تا مصرف سوخت کم شود و بازده بالا برود.

میکروتوربینها در مقایسه با توربینهای گازی متعارف با اندازه ی برابر بازده الکتریکی بالاتری دارند. بهبود دهنده ،که مقداری از انرژی گازهای خروجی را دوباره به پروسه ی تولید گازهای داغ بازمی گرداند، بازده آن را بالا می برد. تصویر 3 مشخصات چند میکروتوربین رقیب موجود در بازار و چند توربین گازی معمولی بزرگتر را نشان می دهد. توجه کنید که میکروتوربینها تا حدود 5 مگاوات بازده بالاتری دارند ،که تقریبا هم اندازه ی اولین توربین گازی معمولی استفاده کننده از بهبود دهنده(توربین سولار مدل مرکوری) می باشد.

 

3- مقایسه ی بازده: بازده الکتریکی چند توربین و میکروتوربین موجود در بازار

به هرحال، بازده بالا(20 تا 30 درصد) همیشه دلیل کافی اقتصادی برای سرمایه گذاری جدید در کاربردهای تجاری ،جایی که سوختهای متعارف خریداری می شوند و هزینه ی تولید باید با توان تولید شده مقایسه شود، نیست. مزیت میکروتوربینها در تولید همزمان گرما و انرژی   (CHP)یا تولید همزمان سرما،گرما و انرژی (CCHP)  ،جایی که گرمای خروجی بازیافت شده و دوباره استفاده می شود، می باشد.

ارزش اولیه میکروتوربینها برای بیشتر خریداران توانایی آنها برای کاهش هزینه ی تولید انرژی است. علاوه بر استفاده از روشهای تحلیل سرمایه ی استاندارد برای تخمین هزینه ها، میکروتوربینها اغلب برای مشوقهای مالی حکومتی ،هنگامی که از سوختهای تجدیدپذیر استفاده می کنند،  مطلوب هستند. همچنین بسیاری از کشورها برنامه های تخفیفی برانگیزنده ای برای تحریک خریداران به روشهای تولید انرژی پاک و با بازده بالا درنظرگرفته اند.

اگرچه یک بازگشت سرمایه ی جذاب همیشه برای جلب توجه خریداران لازم است اما ،همانطور که در زیر ملاحظه خواهید کرد، چند تولید کننده ی مطرح بازار چگونگی گسترش سریع میکروتوربینها را شرح خواهند داد.

میکروتوربینها محدودیتهای آلودگی هوا را رعایت می کنند

هر روزه کشورهای بیشتری درباره ی کنترل آلودگی هوا قوانین سختگیرانه تری ،مانند سطوح آلودگی هوا که توسط هیئت مدیره ی منابع هوای کالیفرنیا (CARB) تصویب شد، وضع می کنند. این امر بدان معنی است که روشهای تولید جایگزین مانند ژنراتورهایی با موتور جبران کننده، اغلب باید فیلترهایی در اگزوز خود نصب کنند. چند کارخانه ی ساخت میکروتوربین با قوانین کالیفرنیا خود را تطبیق داده اند بدون اینکه از فیلترهای اکتیو در خروجی گازها استفاده کنند که صرفه جویی زیادی را برای خریدار در برداشته است.

یکی از مزایای میکروتوربینها ظرفیت آنها برای رسیدن به سطوح بالای استانداردهای آلودگی هوا است. اتکاء بر اختلاط مواد سوختی قبل از ورود به مرحله ی احتراق مقدار خروجی اکسیدهای نیتروژن، مونوکسیدکربن و هیدروکربنهای نسوخته را ،که اغلب با گازهای ترکیبی آلی اندازه گیری می شوند، کاهش می دهد.

برای مقایسه ی بهتر یک انجین گازی با مخلوط کردن سوخت پیش از احتراق، نصف یک ژنراتور معمولی نیروگاهی اکسیدهای نیتروژن تولید می کند. میکروتوربین 65 کیلوواتی کپستون (با نرخ تولید حرارت 11800 Btu/kWh LHV) در حدود 9 ppmvd اکسیدهای نیتروژن ،قسمت کوچکی از آلودگی یک توربوژنراتور نیروگاهی، تولید می کند.

در مجموع، میکروتوربینها بازده بیشتری دارند بدون اینکه به فیلترهای گران فعال نیاز داشته باشند. آلودگی کمتر کلید فهمیدن این نکته است که چرا شرکتهای نفت و گازی ،که به دنبال اکتشاف نفت از لایه های ماسه ای هستند، 10 دستگاه میکروتوربین کپستون سی.65 با آلودگی کم در ماه آگوست سفارش داده اند تا از آنها را به عنوان تولیدکننده ی اصلی انرژی در تأسیسات خود در ایگل فورد(جنوب تگزاس) سفارش بدهند.

منبع

http://www.powermag.com/microturbine-technology-matures/