میکروتوربین‌ها و کاربردهای آن

میکروتوربین‌ها توربین‌های گاز کوچک با توان معمولاً بین 25 تا 500 کیلووات هستند که برای تولید برق پراکنده، سیستم‌های تولید همزمان برق و حرارت (CHP)، و تأمین انرژی پشتیبان در صنایع و ساختمان‌ها استفاده می‌شوند.

این توربین‌های گاز کوچک به دلیل ابعاد کوچک، انعطاف‌پذیری سوخت، و قابلیت تولید همزمان برق و حرارت، گزینه‌ای جذاب برای تأمین انرژی در مقیاس کوچک و متوسط هستند.

تعریف و ویژگی‌ها

• میکروتوربین (Microturbine) یک توربین گاز کوچک است که مشابه توربین‌های بزرگ‌تر عمل می‌کند اما در ابعاد کوچک‌تر و با سرعت‌های بسیار بالا (تا 120,000 دور در دقیقه) کار می‌کند.
• توان خروجی آن‌ها معمولاً بین 25 تا 250 کیلووات است، اما می‌توان چند واحد را به صورت ماژولار ترکیب کرد تا ظرفیت بالاتر (تا حدود 1 مگاوات) به دست آید.
• طراحی ساده، تعداد کم قطعات متحرک، و امکان استفاده از سوخت‌های متنوع مانند گاز طبیعی، دیزل، پروپان، بیوگاز و حتی هیدروژن از ویژگی‌های مهم آن‌هاست.

آزمایشگاه میکروتوربین

آزمایشگاه میکروتوربین یک سامانه پژوهشی کوچک و ایمن است که عملکرد یک توربین گاز واقعی را در مقیاس آزمایشگاهی شبیه‌سازی می‌کند. این آزمایشگاه‌ها معمولاً شامل یک موتور توربین گاز کوچک، سیستم جمع‌آوری داده‌ها (DAQ)، و تجهیزات جانبی برای مشاهده و تحلیل چرخه ترمودینامیکی هستند.

نمونه‌هایی از آزمایشگاه کوچک یک میکروتوربین (محصول شرکت تورباین تکنولوژیز آمریکا) - turbinetechnologies.com

نقش آزمایشگاه میکروتوربین در پژوهش توربین گاز

1. بستر آزمایش چرخه‌های ترمودینامیکی

• امکان بررسی دقیق چرخه برایتون در شرایط واقعی.
• مقایسه عملکرد کمپرسور و توربین در بارهای مختلف.
• تحلیل راندمان حرارتی و مکانیکی در مقیاس کوچک، با قابلیت تعمیم به توربین‌های صنعتی.

2. پژوهش در زمینه احتراق و سوخت‌های نو

• آزمایش با سوخت‌های جایگزین مانند بیوگاز، هیدروژن یا سوخت‌های سنتزی.
• بررسی آلاینده‌ها (NOx، CO، HC) و توسعه راهکارهای کاهش انتشار.
• مطالعه رفتار شعله و پایداری احتراق در شرایط مختلف.

3. توسعه فناوری‌های کنترل و پایش

• استفاده از سیستم‌های DAQ و سنسورهای دقیق برای جمع‌آوری داده‌های دما، فشار، رانش و جریان سوخت.
• پژوهش در زمینه کنترل هوشمند توربین‌ها و الگوریتم‌های بهینه‌سازی عملکرد.
• امکان شبیه‌سازی شرایط گذرا (start-up، shut-down، تغییر بار) برای بررسی پاسخ دینامیکی.

4. پل میان آموزش و صنعت

• فراهم کردن محیطی ایمن و کم‌هزینه برای آزمایش مفاهیم پیشرفته قبل از انتقال به مقیاس صنعتی.
• تربیت پژوهشگرانی که با داده‌های واقعی و رفتار عملی توربین گاز آشنا هستند.
• کاهش هزینه‌های تحقیقاتی با استفاده از نمونه‌های کوچک‌مقیاس به جای توربین‌های صنعتی بزرگ.

5. کاربرد در پژوهش‌های آینده

• انرژی‌های تجدیدپذیر: ترکیب میکروتوربین با منابع پاک (هیدروژن، بیوگاز).
• سیستم‌های تولید همزمان برق و حرارت (CHP): بررسی کارایی و طراحی بهینه.
• مدل‌سازی و شبیه‌سازی: اعتبارسنجی مدل‌های CFD و ترمودینامیکی با داده‌های واقعی آزمایشگاهی.

میکروتوربین (turbinetechnologies.com)

پروژه انجام‌شده

در پروژه انجام‌شده توسط سورین توربوماشین، طرح مقهومی آزمایشگاه میکروتوربین ارائه گردید و در مطالعات تکمیلی، طرح اولیه و جزییات و مشخصات سیستم‌های جانبی و نقشه‌های طراحی تهیه شد.

طراحی مفهومی آزمایشگاه میکروتوربین توسط سورین توربوماشین

روند قابل بهره‌برداری براي دانشجویان و پژوهشگران

• براي راه‌اندازي موتور میکروتوربین یا میکرو توربوجت، «چک ليست پيش از راه‌اندازي» و «روند راه‌اندازي» دنبال شود.
• از سامانه داده‌برداري خودکار براي اندازه‌گيري (P0 و T0 و FT و غيره) در چهار سرعت موتور (در حالت پايا) استفاده شود. همچنين داده‌هاي آلاينده‌هاي جمع‌آوري گردد.
• داده‌ها وارد يک صفحه‌ي گسترده  ـاکسل) شود.
• مقادير TSFC، راندمان کمپرسور، راندمان محفظه‌ي احتراق، راندمان توربين و نسبت هوا به سوخت، براي هر سرعت موتور محاسبه شود.
• با استفاده از اصل مومنتوم خطي، تراست موتور محاسبه شده و با مقدار تراست اندازه‌گيري شده مقايسه شود.
• نيروي تراست واقعي بر حسب سرعت موتور رسم شود.
• TSFC بر حسب سرعت موتور رسم شود.
• A/F بر حسب سرعت موتور رسم شود.
• آلاينده‌هاي NOx و THC و CO (ppm) بر حسب سرعت موتور رسم شود.
• براي يک سرعت موتور، نمودار تعادل انرژي ساخته شود.
• مقادير تراست تئوري و واقعي موتور مقايسه شده و در مورد هرگونه اختلاف بحث شود.
• در مورد اثر سرعت موتور بر نيروي تراست واقعي،‌مصرف سوخت ويژه‌ي تراست و آلاينده‌هاي هوا بخث شود.
• مقدار مصرف سوخت ويژه‌ي تراست اين موتور با TSFC موتورهاي تجاري بزرگ مقايسه شود.
• نمودار تعادل انرژي تفسير شود.

پروژه‌های مرتبط:

• طراحی و توسعه تست استند میکروتوربین
• طراحی و ساخت تست سل میکروتوربین
• تست میکروتوربین در تست سل