Energija budućnosti: osobna elektrana

Povijest motora s plinskim turbinama ukorijenjena je u ranom dvadesetom stoljeću. Godine 1903. norveški izumitelj Agidus Elling prvi je stvorio radni motor s plinskom turbinom od 11 konjskih snaga. (motor zrakoplova braće Wright, koji je poletio iste godine, imao je snagu 12 KS). Nekoliko godina kasnije Charles Curtis, izumitelj parne turbine, podnio je patentnu prijavu, u kojoj je opisao dizajn plinske turbine, a 1914. dobio je patent. 1918. godine tvrtka General Electric (GE), koju je sredinom 1870-ih osnovao Thomas Edison, započela je s radom na turbopunjačima za zrakoplovne motore, a dva desetljeća kasnije plinska turbina jedinice (koja se danas smatra jednom od najvećih na svijetu u toj oblasti) počela se baviti mlaznim avionima ).

1930. izumitelj i časnik Kraljevskih zračnih snaga, Frank Whittle, razvio je i patentirao prvi motor s plinskom turbinom za uporabu kao mlazni pogon. Dok se Whittle bavio rješavanjem tehničkih problema povezanih s dizajnom motora, Nijemac Hans von Ohain bio je prvi koji je 1939. stvorio i testirao mlazni motor.

Od zrakoplovstva do energije

U drugoj polovici 20. stoljeća, plinskoturbinski motori postali su osnova modernog zrakoplovstva. Naravno, motori su se poboljšavali i povećavali u veličini. Danas rekord pripadaju motorima serije GE90, koji su instalirani na Boeingu 777. Promjer ventilatora ovog motora je 3, 4 m, ima kompresor s 22 noža, a potisak mu je 52 000 kg (i više od 57 600 kg tijekom testiranja), što je 10 000 puta više od snage motora braće Wright, koju su koristili prije 100 godina.

Suvremeni plinski turbinski motori (GTE) služe ne samo u zrakoplovstvu, već i u energetskom sektoru, gdje se koriste za proizvodnju električne energije. Vrući plinovi koji nastaju izgaranjem prirodnog plina u komori za izgaranje prolaze kroz turbinu, okreću je i pokreću osovinu generatora. Plinski turbinski motori široko se koriste u elektranama za vrijeme najvećih opterećenja. U pogledu veličine i snage, takvi plinski turbinski motori znatno su nadmoćniji svojoj braći iz zrakoplovstva. Na primjer, Siemens SGT5-8000H, napredni plinski turbinski motor, drži svjetski rekord - masa ovog giganta iznosi 440 tona, može proizvesti 340 MW u jednostavnom ciklusu i gotovo dvostruko više u kombiniranom ciklusu. Učinkovitost ovog motora je gotovo 40%, a u kombiniranom ciklusu - oko 60%. Osim zrakoplova i elektrana, plinski turbinski motori koriste se i u spremnicima, brodovima, dizel lokomotivama, lokomotivama, a koriste se i kao pomoćni generatori.

Mikroelektromehanika Što je MEMS. Ova kratica znači Micro-Electro-Mechanical Systems - mikroelektromehanički sustavi. MEMS je kombinacija mehaničkih elemenata, senzora, aktuatora sastavljenih na silikonskoj podlozi, s elektroničkim krugovima. I mehanika i elektronika proizvedeni su korištenjem standardnih tehnologija mikroelektronske industrije. Ovakav pristup omogućuje dobivanje jedinstvenih uređaja koji kombiniraju računalne mogućnosti elektronike s osjetljivošću mehaničkih senzora, u mikroskopskim dimenzijama - ovo je gotov proizvod na jednom čipu. Tehnologije mikroelektronske industrije omogućuju proizvodnju takvih uređaja u velikim serijama, što ima vrlo pozitivan učinak na pouzdanost i cijenu. MEMS se široko koristi u svakodnevnom životu - posebno, u ovu klasu pripadaju akcelerometri (senzori ubrzanja), čiji je najveći potrošač suvremena automobilska industrija: ti senzori daju signal za aktiviranje zračnih jastuka u sudarima. Matrix DLP projektori, čvrsti žiroskopi i piezo glave pisača tipični su predstavnici MEMS-a.

Od velikog do malog

Nove tehnologije omogućuju vam stvaranje motora ne samo gigantske, već i male (pa čak i vrlo male) veličine. Japanska tvrtka IHI Aerospace proizvodi prijenosni plinski turbinski generator Dynajet 2.6 kapaciteta 2, 6 kW i mase 67 kg. Međutim, to je daleko od ograničenja - motor koji je stvorio švicarski Federalni tehnološki institut (ETH Zurich) ima veličinu od samo nekoliko centimetara i može stvoriti gotovo 100 vati električne energije za nekoliko dana. Ali najdalje u smjeru minijaturizacije otišli su istraživači s Massachusetts Institute of Technology (MIT), koji su razvili motor s plinskom turbinom dimenzija samo oko 1 mm.

Unatoč tako impresivnoj razlici veličine između diva poput GE90 i milimetarskog motora MIT, bliži pogled otkriva da imaju puno toga zajedničkog. Sličnog su dizajna: kompresor, komora za izgaranje i turbina, koja se pokreće strujom produkata izgaranja. Gorivo se ubrizgava u struju na izlazu kompresora, pomiješano sa zrakom, gori i rotira turbinu, koja pokreće kompresor i generator. Međutim, naravno, stvaranje tako malog motora s plinskim turbinama predstavlja mnogo izazova za dizajnere s kojima se tvorci tradicionalnih motora s plinskim turbinama ne moraju suočiti.

Mikroturbinschiki

Sredinom 1990-ih, tim istraživača s Massachusetts Institute of Technology počeo je raditi na projektu mikro-plinskog turbina. „Razmislio sam o pitanju: ako veliki plin-turbina može osigurati struju čitavom gradu, zašto ne napravim vrlo mali motor koji bi osigurao električne potrebe jedne osobe? - prisjeća se Alan Epstein, profesor na MIT-u i voditelj istraživačkog tima. "A cijena MEMS uređaja (mikroelektromehanički sustavi) sada nije previsoka, pa se trošak energije takve osobne elektrane može usporediti sa sličnim parametrom velikog motora s plinskom turbinom (0, 3-0, 5 USD po 1 W)."

Mini turbina Minijaturni plinski turbinski motor razvijen u Švicarskom Federalnom tehnološkom institutu (ETH) izrađen je prema klasičnoj shemi s centrifugalnim kompresorom i osnom turbinom (dijagram dolje).

Micro-GTE sastoji se od istih temeljnih elemenata kao i njihova "velika braća", ali same dimenzije zahtijevaju bitno različite pristupe i tehnologije. Prema Epsteinu, mnoga su pitanja iste temeljne prirode - izgled, mehanički stres, korozija. Međutim, u nekim je aspektima razvoj turbo-motora s mikro-plinom jednostavniji - na primjer, mikroskopske osovine su vrlo krute u savijanju, što pomaže da se riješi tradicionalnog problema savijanja osovina u velikim motorima. Toplinske razlike takvih veličina ne predstavljaju veliku prijetnju, također nema potrebe za održavanjem i popravkom (motor s mikro-plinskim turbinama nije popravljiv, jednostavno se zamjenjuje novim). A u nekim je i složenije: "Dva naša najveća problema su utjecaj točnosti proizvodnje na performanse para ležaja osovina, kao i kompromis između dizajnerskih zahtjeva (termodinamika, izgaranje, opterećenja, hidrodinamika i elektromehanika) i značajki proizvodnog procesa motor. Do danas je to naše najvažnije pitanje. "

Motor ima promjer od samo nekoliko centimetara i može stvoriti do 100 vata snage na vratilu. Takav potpuno autonomni izvor električne energije bit će vrlo koristan, a u nekim slučajevima i potpuno neophodan.

"Iako su detalji isti, tehnologija proizvodnje mikro-GTE-a prirodno je potpuno drugačija, ona se temelji na tehnologiji poluvodiča. Pomoću fotolitografije možete stvoriti dijelove i sklopove veličina od 1 do 10 000 mikrona s velikom preciznošću i u nizu ", objašnjava profesor Epstein. - Dijelovi su urezani iz silikonskih monokristalnih reznih listova debljine 0, 5-1 mm i promjera 100-300 mm, zatim se zalijepe i dobivaju paket s nekoliko gotovih motora. Ako je potrebno, paket se izrezuje na komade i primaju odvojene motore. Sami motori mogu biti različitih veličina - to nije litografija koja nas ograničava odozgo, već dubina i preciznost jetkanja. Kod malih dimenzija manjih od 1 mm, glavno ograničenje je viskoznost zraka, što dramatično utječe na rad motora. " Deseci ili čak stotine mikromotora mogu biti uključeni u jedan paket. U idealnom slučaju, stvaranje svih uređaja iz paketa odvija se paralelno, što dovodi do najvažnije prednosti ove tehnologije - niske cijene gotovog proizvoda. "U budućnosti se slični motori mogu proizvoditi na potpuno isti način kao i elektronski čipovi i senzori automobila", kaže Epstein.

Anatomija mikroturbina Gasni turbinski motor razvijen u MIT-u sastoji se od centrifugalnog kompresora i radijalne turbine s rotorima promjera 8 i 6 mm. Dijagram dolje prikazuje dijagram jednog od prvih prototipa motora. Zrak stlačen pomoću kompresora prolazi kroz kanale položene na vanjskoj površini komore za izgaranje, hladeći ga i uzimajući toplinu, što povećava učinkovitost i smanjuje temperaturu vanjskih zidova motora plinske turbine. Rotori su podržani radijalnim pneumatskim ležajevima i potpornim ležajevima hidrostatičkih aksijalnih osovina. Potonji zajedno s uravnotežujućim klipom preuzimaju aksijalna opterećenja. Motor se pokreće komprimiranim zrakom iz vanjskog izvora. Prema proračunima, brzina rotacije kompresora je oko 1, 2 milijuna okr / min. (ovo nije pogreška pri pisanju - to su milijuni!), linearna brzina vanjskog ruba rotora može doseći 500 m / s. Lopatice i turbine kompresora su visoke 400 mikrona. GTE pumpa 0, 35 g zraka svake sekunde stvarajući potisak snage od 11 g i 17 vata na osovini. Generator nije prikazan, ubuduće se može integrirati u dizajn.

Mikro energija za budućnost

Zašto su vam potrebni takvi motori? Sada projekt mikromotora na MIT-u financira američka vojska, koja u ovim novim tehnologijama vidi veliki potencijal. Mali motori, napunjeni posebnim spremnicima s vodikom, mogu se koristiti kako u malim bespilotnim letjelicama (UAV), tako i u konvencionalnim elektroničkim uređajima. Vjerojatno je da će napajanje mobilne vojne elektronike postati test snage za prvi serijski mikro-GTE koji će se na tržištu pojaviti, kako programeri nadaju, vrlo brzo - za nekoliko godina.

Micro-GTE može se koristiti u civilne svrhe - umjesto baterija u mobilnim telefonima, prijenosnim računalima, digitalnim fotoaparatima, kao i jeftini mikromotori za poljoprivredu, razni senzori, pa čak i dječje igračke. „Za moderne litij-ionske baterije, specifična snaga akumulirane energije je oko 120-150 W • h / kg. To, naravno, nije ograničenje, nove litij-sumporne baterije imaju dvostruko veće pokazatelje - oko 300-350 W • h / kg. No, mikro-plinskoturbinski motori u bliskoj budućnosti i dalje će biti izvan konkurencije - očekujemo da ćemo dobiti brojke od 500-700 W • h / kg. A u dalekoj budućnosti - 1200-1500 W • h / kg, uzimajući u obzir masu samog motora i dovod goriva “, optimistično izjavljuje Alan Epstein.

Na temelju materijala iz internetskog časopisa Budućnost stvari.

Članak je objavljen u časopisu Popular Mechanics (br. 12, prosinac 2007).

Preporučeno

Vivo V15 vs Vivo V15 Pro: test brzine
2019
Kako se dižu zračni brodovi
2019
Kako napraviti nož iz vode?
2019