마이크로터빈

Microturbine
전기 터빈에 대한 내용은 윈드 터빈을 참조하십시오. 일반적으로 터빈은 터빈을 참조하십시오.

마이크로터빈(microturbines)은 피스톤 엔진 터보차저, 항공기 보조 동력장치(APU) 또는 소형 제트 엔진에서 진화한 25~500kW의 가스 터빈으로 냉장고 크기의 소형 제트엔진이다.[1] 30-70 kW의 초기 터빈들은 200-250 kW까지 성장했다.[2]

디자인

회복된 마이크로 터빈의 절단

그것들은 압축기, 연소기, 터빈 및 전기 발전기를 한 축 또는 두 축에 구성한다. 그들은 압축기 효율을 향상시키기 위해 폐열을 포착하는 환열기, 인터쿨러 및 재가열기를 가질 수 있다. 그들은 40,000 RPM 이상에서 회전하고 공통적인 단일 샤프트 마이크로 터빈은 보통 90,000 - 120,000 RPM으로 회전한다.[1] 그들은 종종 1단 방사형 압축기와 1단 방사형 터빈을 가지고 있다. 환열기는 고압과 온도 차이에 따라 작동하기 때문에 설계와 제조가 어렵다.

전자기의 발전으로 무인 운전과 전자식 전력 스위칭 기술이 발전기를 전력망과 동기화할 필요가 없어져 터빈축과 통합하고 스타터 모터로 두 배로 늘릴 수 있게 되었다. 가스 터빈은 가솔린, 천연 가스, 프로판, 디젤 연료, 등유와 같은 대부분의 상업용 연료와 E85, 바이오디젤, 바이오가스 같은 재생 가능 연료를 수용한다. 등유나 디젤에 시동을 걸면 프로판가스 같은 휘발성 제품이 더 많이 필요할 수 있다. 마이크로 터빈은 미세 연소를 사용할 수 있다.

풀사이즈 가스 터빈은 볼 베어링을 사용하는 경우가 많다. 1000 °C의 온도와 마이크로 터빈의 고속은 오일 윤활과 볼 베어링을 비실용적으로 만든다; 그것들은 공기 베어링이나 자석 베어링을 필요로 한다.[3] 그것들은 오일, 냉각제 또는 다른 위험 물질 없이 호일 베어링과 공랭식으로 설계될 수 있다.[4]

부품 부하 효율을 극대화하기 위해 통합 시스템에서 필요에 따라 다중 터빈을 시동하거나 정지할 수 있다.[2] 왕복 엔진은 낮은 전력 수준에서 마이크로 터빈이 더 많은 효율을 잃는 동안 전력 요구 변화에 빠르게 반응할 수 있다. 피스톤 엔진보다 높은 중량 대 출력 비율을 가질 수 있으며, 배기 가스 배출이 적고 이동 부품은 거의 또는 하나만 있을 수 있다. 왕복 엔진은 더 효율적이고 전반적으로 더 저렴하며 일반적으로 모터 오일로 윤활되는 간단한 저널 베어링을 사용한다.

마이크로터빈은 열병합발전과 터보 교류발전기 또는 터빈 발전기 또는 하이브리드 전기차에 동력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 폐열의 대부분은 비교적 높은 온도 배기구에 포함되어 있어 포획이 간편하며, 왕복 엔진 폐열은 배기 시스템과 냉각 시스템 사이에서 분리된다.[5] 배기가스 열은 전기 에너지 대신 열 에너지로 냉방을 위해 냉기를 발생시키는 물 난방, 공간 난방, 건조 프로세스 또는 흡수 냉각기에 사용될 수 있다.

효율성

마이크로터빈은 환열기 없이 약 15%의 효율을 가지며, 2030%의 효율을 가지며 열병합 발전 효율 85%에 도달할 수 있다.[1] 회복된 니가타 전력 시스템 300-kW RGT3R 열효율은 32.5%에 달하며, 360kW 비회수 RGT3C는 16.3%[6]에 달한다. 캡스톤 터빈은 200 kW C200S에 대해 33% LHV 전기 효율을 주장한다.[7]

1988년, NEDO는 일본 뉴선샤인 프로젝트 내에서 세라믹 가스 터빈 프로젝트를 시작했다. 1999년에 회수된 트윈 샤프트 311.6 kW 가와사키 중공업 CGT302는 42.1%의 효율과 1350 °C의 터빈 입구 온도를 달성했다.[8][9] 2010년 10월, 캡스톤은 42%의 전기 효율을 목표로 하는 370 kW 터빈을 위해 현재의 200 kW와 65 kW 엔진에서 파생된 2단 인터쿨링 마이크로 터빈의 설계를 미국 에너지부로부터 받았다.[10] 라페난타 공과대학의 연구원들은 45%의 효율을 목표로 500 kW의 중간 냉각 및 회수된 2축 마이크로 터빈을 설계했다.[11]

시장

국제예상기구(Forecast International)는 2008~2032년 생산량별로 캡스톤터빈의 시장점유율을 51.4%로 전망했으며 블라돈제트가 19.4%, MTT가 13.6%, FlexEnergy가 10.9%, 안살도 에네르기아가 4.5%[12]로 뒤를 이었다.

울트라 마이크로

MIT는 1990년대 중반 항공우주항공학과 앨런 엡스타인 교수가 대형 터빈이 스마(sma)의 전기 수요를 충족시킬 수 있는 것처럼 현대인의 모든 전기 수요를 충족시킬 수 있는 개인 터빈을 만들 수 있는 가능성을 고려하면서 밀리미터 규모의 터빈 엔진 프로젝트를 시작했다.시에서. 이러한 새로운 마이크로 터빈의 열 방출과 고속 베어링에 문제가 발생했다. 게다가 그들의 예상 효율은 5~6%로 매우 낮다. 엡스타인 교수에 따르면, 현재 상용 리온 충전용 배터리는 약 120-150 W/h/kg을 공급하고 있다. MIT의 밀리미터 크기의 터빈은 단기적으로 500~700W·h/kg을 공급할 것이며, 장기적으로는 1200~1500W∙h/kg까지 상승할 것이다.[13]

벨기에 카톨리에케 유니버시아드(Katholieke Universityit Leuven)가 제작한 유사한 마이크로 터빈은 회전자 직경이 20mm로 약 1000W가 생산될 것으로 예상된다.[3]

항공기

사프란은 프랑스 스타트업 터보텍의 뒤를 받쳐 73kW(98-shp) 터보프롭을 환열기와 함께 개발해 피스톤 엔진과 유사한 브레이크 특정 연료 소비량에 대해 효율을 10%에서 30%까지 개선했지만 냉각 드래그가 없는 상태에서 30kg 더 가볍다. 직접 운영 비용은 보다 다양한 연료로 인해 30%까지 절감되고 4,000시간에서 TBO가 두 배로 증가하여 유지보수를 줄여야 한다. 최고급 초경량 2인승과 무인항공기를 대상으로 경쟁사인 로탁스 912보다 다소 비싸지만 수명주기에 비해 경쟁력이 있어야 한다. VTOL 2인승의 경우 55kW 터보제너레이터는 1톤의 배터리 대신 2.5시간의 내구성 동안 연료와 함께 85kg의 무게가 나간다. 2016-17년에 시험운행한 시승기가 2019년 하반기 비행시험에 앞서 2018년 하반기 지상시험에 들어가 2020년 상반기 첫 납품을 해야 한다. 최종 조립 라인은 2025년까지 연간 1,000대의 엔진을 생산할 수 있도록 파리 근교의 뚜수스 르 노블 공항에 만들어진다. [14] 30% 효율은 42.7 MJ/kg의 연료로 281 g/kWh의 연료 소비량에 해당한다. 64 kg(141 lb) TP-R90 터보프로프 또는 TG-R90 터보제너레이터는 크루즈에서 시간당 90 kW(120 hp)의 제트 연료를 출력할 수 있으며, 18–25 l(4.8–6 US gal)의 제트 연료를 연소시킬 수 있다.[15]

체코 PBS 벨카 비테슈는 초경량 및 UAV에 61.6kg(135.8lb)의 180kW (241 HP) TP100 터보프롭을 제공하며, 515g/kWh(0.847lb/hp/hr)를 소비한다.[16] 이는 42.7 MJ/kg의 연료로 효율의 16.4%에 해당한다.

마이애미에 본사를 둔 무인 정찰기 터빈(30kW)의 군주 RP(이전에 UTP50R)주변 1,320 lb(600kg)총중량 항공기는 TigerShark UAV.[17]에 12월 10일 2019년에 시험하기 위해 터보 프롭 recuperated의 40hp이 발달할수록, 회사는 모나크 하이브리드 레인지 Extender, 33shp(25kW)hybrid-electric 시위자는 모나크 5터빈 unv에 기반을 공개했다.eiled 9월에 엔진의 경우 27kg(60lb), 전체 시스템의 경우 54kg(119lb)의 가중치를 부여한다.[18]

하이브리드 차량

확장된 전기 자동차에 사용할 경우, 가스터빈을 최대 전력 또는 거의 최대 전력으로 구동할 수 있으므로, 속도 및 배터리 상태에 적합한 경우, 교류 발전기를 구동하여 휠 모터 또는 배터리의 전기를 생산할 수 있기 때문에 정적 효율 단점이 덜 중요하다. 배터리는 휠 모터에 필요한 양의 전력을 공급하는 "버퍼(buffer)"(에너지 저장) 역할을 하므로 가스 터빈의 스로틀 응답은 무관하다.

더욱이, 중요하거나 가변속 변속 장치가 필요하지 않다. 교류 발전기를 비교적 높은 속도로 회전시키면 다른 경우에 비해 작고 가벼운 교류 발전기가 가능하다. 가스터빈과 그 고정 속도 변속 장치의 우수한 출력 대 중량 비율은 도요타 프리우스(1.8L 가솔린 엔진)나 쉐보레 볼트(1.4L 가솔린 엔진)보다 훨씬 가벼운 프라이밍 무버를 허용한다. 이것은 차례로 더 무거운 배터리의 무게를 운반할 수 있게 하고, 이것은 더 긴 전기 전용 범위를 허용한다. 대신, 차량은 무겁고 값싼 납산 배터리 또는 안전한 리튬 철 인산 배터리를 사용할 수 있다.

때문에 10만명의 rpm에서 회전할 수 있는 가스 터빈,directl지 않다extended-range 전기 차량에서, Land-Rover/Range-Rover에 의해 블레와 함께 그 planned[언제?], 또는 재규어처럼 또한 블레,와 제휴하여 매우 가난한 사람들이throttling 반응(회전 관성은 높은 순간)matter,[표창 필요한]지 않는다.그는 기계적으로connecte전속력으로 달리다 운전자의 요구로 급발진할 수 있는 전기 구동렬의 이점이 없는 1950년형 로버 가스 터빈 동력 시제품 자동차에 큰 충격을 준 것은 이 서툰 조절 반응이었다.[further explanation needed]

참조

  1. ^ a b c Barney L. Capehart (Dec 22, 2016). "Microturbines". Whole Building Design Guide. National Institute of Building Sciences.
  2. ^ a b Stephen Gillette (Nov 1, 2010). "Microturbine Technology Matures". POWER magazine. Access Intelligence, LLC.
  3. ^ a b Jan Peirs (2008). "Ultra micro gas turbine generator". Department of Mechanical Engineering. KU Leuven.
  4. ^ Asgharian, Pouyan; Noroozian, Reza (2016-05-10). "Modeling and simulation of microturbine generation system for simultaneous grid-connected/islanding operation". Iranian Conference on Electrical Engineering: 1528–1533. doi:10.1109/IranianCEE.2016.7585764. ISBN 978-1-4673-8789-7. S2CID 44199656.
  5. ^ "Prime Movers". The Irish Combined Heat & Power Association. Archived from the original on 2011-06-26.
  6. ^ Ryousuke Shibata; et al. (November 2–7, 2003). The Development of 300kW Class High Efficiency Micro Gas Turbine "RGT3R". International Gas Turbine Congress Tokyo. Niigata Power Systems.
  7. ^ "C200S". Capstone Turbine Corporation.
  8. ^ I. Takehara; et al. (Jun 19, 2002). "Summary of CGT302 Ceramic Gas Turbine Research and Development Program". Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 124 (3): 627–635. doi:10.1115/1.1451704.
  9. ^ "Kawasaki Microturbines". Forecast International. June 2004.
  10. ^ Capstone Turbine Corporation (Oct 14, 2015). "Final Technical Report". High Efficiency 370kW Microturbine. doi:10.2172/1224801. OSTI 1224801.
  11. ^ Matti Malkamäki; et al. (March 2015). "A HIGH EFFICIENCY MICROTURBINE CONCEPT". 11th European Conference on Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics.
  12. ^ Carter Palmer (August 7, 2018). "Microturbines: Back to Normalcy?". Forecast International.
  13. ^ Genuth, Iddo (2007-02-07). "Engine on a Chip". The Future of Things. Retrieved 2016-06-21.
  14. ^ Graham Warwick (Apr 23, 2018). "The Week In Technology, April 23-27, 2018". Aviation Week & Space Technology.
  15. ^ "solutions : turboprop & turbogenerator". Turbotech.
  16. ^ "TP100 Turboprop Engine". PBS Velká Bíteš.
  17. ^ Graham Warwick (May 6, 2019). "The Week In Technology, May 6-10, 2019". Aviation Week & Space Technology.
  18. ^ Garrett Reim (10 December 2019). "UAV Turbines unveils hybrid-electric 'microturbine' for drones". FlightGlobal.