Энергия будущего: персональная электростанция
- Сокращение Micro-Electro-Mechanical Systems свидетельствует «микроэлектромеханические совокупности». MEMS — это сочетание механических элементов, датчиков, приводов, собранных на кремниевой подложке, с электронными схемами
И механика и электроника изготавливаются посредством стандартных разработок микроэлектронной индустрии.
- Таковой подход позволяет приобретать неповторимые устройства, сочетающие вычислительные возможности электроники с чувствительностью механических сенсоров, в микроскопических размерах — это готовое изделие на одном чипе
Технологии микроэлектронной индустрии разрешают производить подобные устройства громадными сериями, что очень положительно отражается на цене и надёжности
- MEMS активно используются в быту — в частности, как раз к этому классу относятся акселерометры (датчики ускорений), наибольшим потребителем которых есть современная автомобильная индустрия: эти датчики подают сигналы для раскрытия подушек безопасности при столкновениях. Матрицы DLP-проекторов, твердотельные гироскопы и пьезоголовки принтеров — обычные представители MEMS
- Созданный в Швейцарском федеральном технологическом университете (ETH) миниатюрный газотурбинный двигатель выстроен по классической схеме с осевой турбиной и центробежным компрессором
Двигатель имеет диаметр всего пара сантиметров и может генерировать до 100 Вт мощности на валу. Таковой всецело независимый источник электричества будет очень нужен, а в некоторых случаях совсем незаменим
История газотурбинных двигателей уходит корнями в начало ХХ века. В 1903 году норвежский изобретатель Агидус Эллинг первым создал трудящийся двигатель с газовой турбиной мощностью 11 л.с. (двигатель самолета братьев Райт, что поднялся в воздух в том же году, имел мощность 12 л.с.). Спустя пара лет Чарльз Кёртис, изобретатель паровой турбины, подал патентную заявку, в которой обрисовал конструкцию газовой турбины, и в 1914-м взял патент.
В 1918 году компания General Electric (GE), основанная Томасом Эдисоном в середине 1870-х, начала работы над турбонагнетателями для авиационных двигателей, а спустя двадцать лет реактивными авиадвигателями начало заниматься газотурбинное подразделение компании (которое на данный момент считается одним из наибольших в мире в собственной области).
В первой половине 30-ых годов двадцатого века офицер и изобретатель Королевских ВВС Англии Фрэнк Уиттл создал и запатентовал первый газотурбинный двигатель для применения в качестве реактивного движителя. До тех пор пока Уиттл занимался ответом технических неприятностей, которые связаны с конструкцией двигателя, немец Ганс фон Охайн сумел первым создать и испытать во второй половине 30-ых годов двадцатого века самолет с реактивным двигателем.
От авиации до энергетики
Во второй половине XX века газотурбинные двигатели стали базой современной авиации. Само собой разумеется, двигатели совершенствовались и возрастали в размерах. Сейчас рекорд в собственности двигателям серии GE90, каковые устанавливают на Boeing 777.
Диаметр вентиляторов этого двигателя 3,4 м, в нем установлен компрессор с 22 лопатками, а его тяга образовывает 52 000 кг (и более 57 600 кг при опробованиях), что в 10 000 раза больше, чем мощность двигателя братьев Райт, которым они пользовались 100 лет назад.
Современные газотурбинные двигатели (ГТД) помогают не только в авиации, но и в энергетике, где их применяют для производства электричества. Тёплые газы, полученные в следствии сжигания газа в камере сгорания, проходят через турбину, вращают ее и приводят в перемещение вал генератора. ГТД активно применяются на электростанциях на протяжении пиковых нагрузок.
По мощности и размерам такие ГТД существенно превосходят собственных авиационных братьев. К примеру, передовой ГТД Siemens SGT5−8000H удерживает всемирный рекорд — масса этого гиганта 440 т, он может выдавать 340 МВт в несложном цикле и практически вдвое больше в комбинированном. КПД этого двигателя образовывает практически 40%, а в комбинированном цикле — около 60%.
Кроме электростанций и самолётов ГТД используются и в танках, судах, тепловозах, локомотивах, и употребляются в качестве запасных генераторов.
От громадного к малому
Новые разработки разрешают создавать двигатели не только огромных, но и мелких (а также весьма мелких) размеров. Японская компания IHI Aerospace создаёт переносной газотурбинный генератор Dynajet 2.6 мощностью 2,6 кВт и массой 67 кг. Но, это далеко не предел — двигатель, созданный Швейцарским федеральным технологическим университетом (ETH Zurich), имеет размер всего пара сантиметров и может генерировать практически 100 Вт электричества в течении нескольких суток.
Но дальше всех в направлении миниатюризации зашли исследователи Массачусетского технологического университета (MIT), каковые создали газотурбинный двигатель размером всего около 1 мм.
Не обращая внимания на столь внушительную отличие в размерах между таким гигантом, как GE90, и миллиметровым двигателем MIT, при ближайшем рассмотрении оказывается, что у них имеется довольно много неспециализированного. По конструкции они похожи: компрессор, турбина и камера сгорания, которая приводится в перемещение струей продуктов сгорания. Горючее впрыскивается в поток на выходе из компрессора, смешивается с воздухом, сгорает и вращает турбину, которая приводит в перемещение генератор и компрессор.
Но, очевидно, создание столь малого газотурбинного двигателя ставит перед конструкторами множество задач, с которыми не приходится сталкиваться создателям классических ГТД.
Микротурбинщики
В середине 1990-х в Массачусетском технологическом университете несколько исследователей начала трудиться над проектом по микро-ГТД. «Я задумался над вопросом: в случае если большой ГТД может обеспечивать электроэнергией целый город, из-за чего нельзя сделать весьма мелкий двигатель, что бы обеспечил электрические потребности одного человека? — вспоминает Алан Эпштейн, доктор наук MIT и начальник исследовательской группы. — А цена устройств MEMS (микроэлектромеханических совокупностей) на данный момент не через чур высока, так что себестоимость энергии таковой персональной электростанции возможно сравнима с подобным параметром громадного ГТД ($0,3−0,5 за 1 Вт)».
Микро-ГТД складывается из тех же принципиальных элементов, что и его «громадные братья», но сами размеры требуют принципиально технологий и других подходов. По словам Эпштейна, многие вопросы имеют такой же принципиальный темперамент — компоновка, механические нагрузки, вопросы коррозии. Но в некоторых отношениях разработка микро-ГТД несложнее — к примеру, микроскопические валы весьма твёрдые на изгиб, что оказывает помощь избавиться от классической неприятности изгиба вала у громадных двигателей.
Тепловые перепады при таких размерах не воображают громадной угрозы, отпадает кроме этого необходимость ремонта и ухода (микро-ГТД неремонтопригоден, его новым). А в некоторых — сложнее: «Две отечественные самые громадные неприятности — это влияние точности изготовления на эксплуатационные качества пары ‘вал-подшипник’, и поиск компромисса между требованиями к конструкции (термодинамика, сгорание, нагрузки, электромеханика и гидродинамика) и изюминками разработки изготовления двигателя. Это и сейчас остается отечественным наиболее значимым вопросом».
«Не смотря на то, что подробности все те же самые, разработка изготовления микро-ГТД, конечно, совсем другая, она основана на разработках полупроводниковой индустрии. Посредством фотолитографии возможно создавать подробности и узлы размерами от 1 до 10 000 микрон с высокой точностью, причем серийно, — растолковывает доктор наук Эпштейн. — Подробности вытравливаются из кремниевых монокристаллических пластин толщиной 0,5−1 мм и диаметром 100−300 мм, позже их склеивают совместно и приобретают пакет с несколькими готовыми двигателями.
При необходимости пакет разрезают на кусочки и приобретают отдельные двигатели. Сами двигатели смогут быть разного размера — сверху нас ограничивает не литография, а скорее точность и глубина травления. Для малых размеров, меньше 1 мм, главным ограничением есть вязкость воздуха, которая быстро отрицательно воздействует на чертей двигателя». В один пакет смогут войти десятки либо кроме того много микродвигателей.
В совершенстве создание всех устройств из пакета происходит параллельно, что ведет к самому главному преимуществу таковой технологии — низкой себестоимости готового изделия. «Подобные двигатели в будущем возможно будет изготавливать совершенно верно таким же образом, как автомобильные датчики и электронные чипы», — говорит Эпштейн.
Микроэнергия для будущего
Для чего же необходимы подобные двигатели? на данный момент проект микродвигателей в MIT финансируется американским армейским ведомством, которое видит в этих новых разработках громадной потенциал. Мелкие двигатели, заряжаемые особыми картриджами с водородом, возможно применять как в маленьких беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), так и в простых электронных устройствах.
Как раз питание мобильной военной электроники, вероятнее, станет опробованием сил для первых серийных микро-ГТД, каковые покажутся на рынке, как сохраняют надежду разработчики, уже совсем не так долго осталось ждать — через пара лет.
Микро-ГТД возможно применять и для гражданских целей — вместо аккумуляторная батарей в сотовых телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах, а также в качестве недорогих микродвигателей для сельского хозяйства, разных датчиков а также детских игрушек. «Для современных литий-ионных аккумуляторная батарей удельная мощность запасенной энергии образовывает порядка 120−150 Вт•ч/кг. Это, само собой разумеется, не предел, новые серно-литиевые батареи имеют показатели вдвое выше — порядка 300−350 Вт•ч/кг.
Но микро-ГТД в скором времени все равно будут вне конкуренции — мы ожидаем взять цифры порядка 500−700 Вт•ч/кг. А в отдаленном будущем — 1200−1500 Вт•ч/кг с учетом массы запаса топлива и самого двигателя», — оптимистично заявляет Алан Эпштейн.
По данным интернет-издания The Future of Things.
Анатомия микротурбины
Газотурбинный двигатель, созданный в MIT, складывается из центробежного компрессора и радиальной турбины с роторами диаметром 8 и 6 мм соответственно. На диаграмме продемонстрирована схема одного из первых прототипов двигателя.
Сжатый компрессором воздушное пространство проходит по каналам, проложенным на внешней поверхности камеры сгорания, охлаждая ее и забирая тепло, что увеличивает эффективность и сокращает температуру внешних стенок ГТД.
турбины и Роторы компрессора поддерживаются радиальными пневмоподшипниками и гидростатическими упорными подшипниками осевого вала. Последние, вместе с уравновешивающим поршнем, принимают на себя осевые нагрузки.
Запуск двигателя производится посредством сжатого воздуха от внешнего источника. В соответствии с расчетам, скорость вращения компрессора образовывает около 1,2 млн об/мин (это не опечатка — как раз миллионов!), линейная скорость внешней кромки ротора может быть около 500 м/с.
Лопатки компрессора и турбины имеют размер 400 мкм в высоту. ГТД прокачивает 0,35 г воздуха каждую секунду, генерируя тягу в 11 гс и 17 Вт мощности на валу. Генератор, преобразующий эту мощность в электричество, не продемонстрирован, в будущем он бывает интегрирован в конструкцию.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№62, декабрь 2007).
<
h4>