لماذا (غاس توربينز) من أجل (هايريدز)؟

وتُعدّ المركبات الكهربائية الهجينة محركات متحركة ذات محركات كهربائية، ولكن مجموعة متزايدة من البحوث تشير إلى أن التوربينات الغازية يمكن أن توفر بديلاً مقنعاً، وأن نسبة الطاقة العالية إلى الوزن، والناتج التناوبي السلس، والقدرة على تشغيل أنواع الوقود المتعددة تجعل من توربين الغاز مرشحاً جذاباً للتشكيلات المتطورة والمنشقة للسلاسل.

سائقو التصميم الأساسيون لتركيبات الغازات الآلية

ولا يقتصر تصميم توربين الغازي للمركبات الهجينة على تقليص محرك الطائرات، بل تختلف بيئة التشغيل ودورة العمل والقيود المفروضة على التكاليف اختلافا كبيرا، إذ تشكل عدة عوامل شاملة نهج التصميم:

  • Compactness and Weight:] The turbine must fit within the limited envelope of a passenger vehicle or light truck without compromising electric bataging.
  • Part-Load Efficiency:]خلافاً للتربين في محطة توليد الطاقة التي تُجرى بسرعة قريبة من الاتزان، يجب أن يعمل توربين السيارات بكفاءة عبر حمولات مختلفة نظراً لأن النظام الهجين يدير حالة الشحن.
  • Transient Response:] The ability to spool up quickly to meet driver demand for acceleration or to recharge batteries during braking events is critical.
  • Cost:] Automotive manufacturing demands high-volume, low-cost production. Materials and fabrication methods must be compatible with automotive budgets.
  • Emissions:] Strict regulations require ultra-low NOx, CO, and particulate matter, which can be challenging for combustors operating over a wide fuel-air ratio.

ويؤثر كل من هذه العوامل على تصميمات محددة من النظم الفرعية، على النحو المبين في الفروع التالية.

الكفاءة واستهلاك الوقود

إن دورة الترومدينامي للتوربين الغازي )دورة بريتون( تولد أعلى مستوى من الكفاءة في سرعة التناوب العالية والمستمرة، وفي مركبة كهربائية هجينة، يمكن فصل التربين عن العجلات التي تعمل كعامل كهرباء يشعلها بسرعة قصوى بغض النظر عن سرعة المركبات، وهذا ميزة مميزة على محرك واسع النطاق، يجب أن يعمل على مدار الساعة.

استراتيجيات الرقابة المتقدمة

ويمكن أن يسمح التربين بالضغط على نحو أفضل والتدفق الجماعي في نواتج الطاقة الأقل قدرة، ومن خلال تعديل زاوية شاحنات المحركات، فإن المصممين لا يستطيعون إلا أن يرتقيوا إلى أقصى حد ممكن بمطابقة نقطة التربين المضغوطة لمختلف نقاط التشغيل، مع وجود وحدة رقابة إلكترونية متطورة تتواصل مع نظام التحكم في الاضطرابات

Regenerative Heat Exchangers

ويمكن أن يؤدي إضافة جهاز استجمام (مبادلات حرارة من الغاز إلى الغاز) إلى تحسين الكفاءة الحرارية بدرجة كبيرة عن طريق التسخين المسبق لجهاز الحرق باستخدام حرارة العادم، وفي حين أن أجهزة الاستجمام تزيد من الوزن والحجم والتكلفة، فإنها يمكن أن تعزز كفاءة الحمولة الجزئية بنسبة 10-15 نقطة مئوية، مما يجعل التربين أقرب إلى الكفاءة الحرارية لمحرك الديزل الحديث.

مرونة الوقود

ويمكن أن تحرق توربينات الغازات مجموعة واسعة من الوقود - الغاز الطبيعي، والهيدروجين، والوقود الأحيائي، بل حتى الكيروسين - وهو ما يمثل ميزة تحول قطاع النقل إلى ناقلات الطاقة المنخفضة الكربون، غير أن كل وقود يتطلب تصميماً مجهزاً خصيصاً لضمان الإشعال المستقر، وحيازة اللهب، والانبعاثات المنخفضة، وبالنسبة للمركبات الهيدروجينية، فإن التربين المصمم للوقود الأمثل (مثل أو الغاز المركب).

الحجم والثمانية

وكثافة الطاقة في توربين الغاز هي في جوهرها عالية من حيث الطول من 0.5 إلى 1.5 كيلوواط/كغ بالنسبة للمتربينات الدقيقة - ولكن وحدة الطاقة الكاملة (بما في ذلك جهاز التنظيف والمولدات ومرشحات الهواء والخطف) يمكن أن تصبح أثقل من تركيب محركات متحركة متشابهة، وبالتالي فإن كل غرامات في تصميم السيارات.

مواد الوزن الخفيف

وتبشر السيراميات المتقدمة (النيديكون، وكاربيد السيليكون) بالتفاحات والمواقد الوعرة لأنها تحتفظ بقوة عالية الحرارة دون حاجة إلى التبريد المفصل، وتمنح المصفوفة المركبة كثافة تبلغ نحو ثلثها تقريباً من الوصلات الفائقة النيكل، غير أن مكونات الإسهال هي من الرواسب الرطبة والحساسة للصدمة الحرارية.

تعبئة الوحدات والتعبئة المتكاملة

ويستلزم تصميم التربين كوحدة مستقلة يمكن تركيبها في طابق المركبة أو في أسفلها أو في ظل غطاء الرأس تصميماً مدمجاً، ويمكن بناء السائل المغنطيسي، إذا استخدم، في مضمار العادم، ويمكن أن يكون المولد العالي السرعة (لكل ماكينة متزامنة دائمة) مقترناً مباشرة بحجم الطورود النفطي.

الإدارة الحرارية

وتمارس التربينات الغازية مع درجات حرارة الغاز العادم التي يمكن أن تتجاوز 900 درجة مئوية (1650 درجة مئوية) ويُعد معالجة هذه الحرارة داخل المركبة أحد أكثر التحديات في مجال التصميم، ولا تؤدي الإدارة الحرارية الكافية إلى عدم التعرض للفشل في عنصر المسافرين فحسب، بل تؤدي أيضا إلى خفض راحة الركاب، كما يمكن أن تخفض من حجم البطاريات المتاخمة أو الأجهزة الإلكترونية للطاقة.

نظم رفض الحرارة

وعلى عكس محرك البستون، حيث يتعامل المشع الكبير مع معظم الحرارة، فإن توربين الغاز يرفض جزءاً كبيراً من الحرارة من خلال العادم، ويجب إزالة الحرارة المتبقية من زيت التشحيم (إذا استخدمت)، وتبريد المولدات، ومسح المكثفات، ويجب على المصممين أن يدمجوا نظاماً للتبريد يتسم بالارتباط والكفاءة، واستخدام أجهزة الاستنشاق ذات التردد العالي، وتركيب المبرد.

الدروع الحرارية والعزل

ويجب وضع أغطية الألياف المتحركة، والدروع الحرارية المعدنية، والعزل المتعدد الطوابق حول مكونات التربين والعادم لمنع الصقر الحراري في حالة الفوضى، وينبغي تصميم الضغف الاضطرابات لإدارة تدفق الهواء لأغراض التكديس الطبيعي أو القسري، وبالتالي فإن التكوين المختلط الذي يمتد فيه التربين بين فترات متقطعة، يمكن أن يؤدي إلى توسع في التقويم الحراري.

التبريد التجددي لـ (توربين بلاديس)

وبالنسبة لمنتجات الطاقة المرتفعة )فوق ٥٠-١٠٠ كيلوواط(، قد تصبح وسائل التبريد الداخلي داخل نصلات التربين ضرورية، وقد تجتاز الخلاصة الجوية من الشاحن قنوات داخلية وتُنق َّل في النصائح البلاستيكية لتشكيل فيلم وقائي، وهذا النهج يقلل درجة حرارة المعادن ولكنه يُعاقب على كفاءة الدورة العامة، وفي التربينات الأقل تكلفة )٥٠ كيلو فولت(، فإن الترميد البسيط يخفض من جميع أنواع التذبذبذبذب.

المرونة التشغيلية

وفي مركبة كهربائية مهجورة، يجب أن يبدأ توربين الغاز ويتوقف بشكل متكرر، ويستجيب بسرعة لتغييرات الحمولة، ويعمل بسلاسة على مجموعة واسعة من الظروف المحيطة.

البداية السريعة وإغلاق

ومن بداية باردة، يتطلب تربين الغاز فترة قصيرة للتدفئة لتجنب الصدمة الحرارية وضمان التزليق السليم، ولكن لا بد من تقليل هذا الاحتباس الحراري إلى أدنى حد ممكن خلال أقل من 30 ثانية، كما أن التسخين قبل خط الاحتراق أو استخدام جهاز توليد حراري يمكن أن يعجل بسرعة بالدوار إلى سرعة التبريد، بالإضافة إلى أن نظام التحكم يجب أن يُدير دورة الوقود المفاجئة.

حركة التعقب والضرب

ويجب على متحكم التربين أن يتصل بجهاز التحكم الإشرافي الهجين دون هوادة، وعندما تسقط البطارية، يبدأ التربين ويرتفع إلى أعلى نقطة قوة له، بدلا من محاولة تتبع حمولات العجلات العابرة (مثلما قد يكون من المتغيرات التي تدور حول المحرك المباشر)، يمكن للنظام أن يعامل التوربين كمصدر ثابت للقوى يشحن البطارية بينما يتعامل مع المحركات الكهربائية.

التعويض عن الوضع والوضع

وقد يتدهور أداء التركيب في ارتفاع أعلى وارتفاع درجة الحرارة المحيطة بسبب انخفاض كثافة الهواء، وفي مركبة هجينة تعمل في الارتفاع (مثل قيادة الجبال)، قد يحتاج التربين إلى مضغط أكبر للحفاظ على الطاقة الكافية، أو يمكن للنظام الهجين أن يعوض عن ذلك عن طريق سحب المزيد من البطارية، وتصميم خوارزمية للرقابة تضبط ظروف تصريف السيارات على أساس الترابين.

الدمج مع الدراجة الكهربائية

ولا يقود توربين الغاز الميكانيكي العجلات؛ بل يقترن آليا بمولد يغذي الطاقة الكهربائية على بطارية التراكب ومحركات الكهرباء، وهذه الوصلة تشكل هيكل المركبات عموما.

اختيار المولدات ومطابقتها

ويختار مولد مغناطيسي دائم متزامن لكثافة الطاقة العالية وكفاءته، ويجب تصميم المولد ليطابق مع نظام توربينرزكو؛ وخط العنكبوت السريع، واتباع السرعة العالية للتناوب (التي تتجاوز في كثير من الأحيان 000 100 ريم) ويتجنب الانقلاب المباشر مجموعة معدات، ولكن يجب أن يكون دوار المولدات قويا هيكليا ضد قوى الطاردة النشيطة.

Power Electronics and Energy Buffer

وينظم إنتاج المولدات الكهربائية محول طاقة يحتفظ ببطارية شحن فولتاج، ويجب على المحولة أن تتعامل مع اتجاه تدفق الطاقة )وإن كان الاضطرابات لا تغذي الطاقة إلا على البطارية، وليس العكس(، كما أن هناك حاجزا صغيرا للطاقة مثل مصرف السوبرمان أو بطارية صغيرة لليثيوم يمكن أن يزيل الطاقة الكهربائية العازلة أثناء فترة بدء التشغيل ويخفض الضغط المستمر على البطاريات.

الضجة والتأشيرة

ومن المزايا التي يتصورها توربين الغاز سلاسة الغاز المأخوذة من محرك متبادل، ومع ذلك فإن الضوضاء العالية التردد من الشريك والمضخة والعادم يمكن أن تكون معترضة على الشاغلين والمشاة.

Acoustic Attenuation

ومن الضروري أن يخفض عدد أجهزة السكوت والزبائن العادمة، وأجهزة الاستيلاء على الصوت، مستويات الضوضاء إلى معايير السيارات، وكثيرا ما تكون الضوضاء التي تُصدر من نصلات الضغط؛ ويمكن أن تخفف من ذلك دائرة السطو على الترددات الصاروخية، وتشمل الضوضاء الواسعة النطاق والضوضاء المحتملة من عملية الحرق الواسعة النطاق.

العزلة

فالدورة العالية السرعة نفسها متوازنة جدا وتنتج قدرا منخفضا من اليقظة، ولكن عملية الحرق يمكن أن تولد تذبذبات ضغط منخفضة التردد (ديناميات الاحتراق) وينبغي أن تكون تجمعات التربين على جبال غير طبيعية غير مخففة لعزل هذه اليقظة من التمزق، بالإضافة إلى أن الكمّل المكثف والمخاط يجب أن يدعما بتحولات مرنة.

الانبعاثات والاستدامة

ويمكن أن تحقق توربينات الغاز الحديثة انبعاثات منخفضة جداً من النيتروز، وثاني أكسيد الكربون، والهيدروكربونات غير المحترقة عند استخدام الاحتراق المضغوط باليوان، غير أن نطاق الحمولة الواسع لتطبيق السيارات يجعل من الصعب الحفاظ على استقرار اللهب السائل المطلوب لثاني أكسيد النيتروز.

العلاج التحفيزي بعد التعرض

وبالنسبة للتوربينات الصغيرة، يمكن وضع محول حافز مماثل للمحركات المستخدمة في محركات البستون في العادم للحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون والهيدروكربون، غير أن ارتفاع محتوى الأوكسجين في العادم التربيني (احتراق الجليل) يتطلب فخاً من النيتروجين أو تخفيضاً حافزاً انتقائياً للحد من النيتروز، مما يزيد من التكلفة والتعقيد، ولكن قد يكون ضرورياً للوفاء بمعايير اليوروفي أو كاليفورنيا.

صفر - كاربون الوقود المحتمل

إنّ حرق الهيدروجين في توربين الغازي ينتج بخار الماء وثعبان النيتروجين الحراري، مع تصميم دقيق للزراعة، يمكن أن يحقق التربينات الهيدروجينية بالقرب من الصفر، وهذا يجعل توربين الغازي مُجذّب بشكل خاص كتقنية جسر نحو اقتصاد الهيدروجين، على سبيل المثال، [المعلومات الأساسية:

التكلفة والصناعة التحويلية

وقد كانت توربينات الغازات الآلية باهظة التكلفة في تاريخها بالنسبة للإنتاج الجماعي، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى الحاجة إلى وجود سبيكات خارقة عالية الحرارة وصناعة دقيقة، غير أن التقدم في التصنيع المضاف، والميتالورجيا، والتجمع الآلي، كلها عوامل تؤدي إلى انخفاض التكاليف.

تصنيع إضافي لمكونات القسم الساخن

3D printing of superalloy and ceramic turbine components enables complex internal cooling geometries that reduce material waste and allow design iteration without the cost of hard tooling. Several companies, including GE Additive, have demonstrated the use of additive manufacturing for gas turbine parts, and these techniques are now being scaledtive applications for lower-volume auto.

الهيكل التنظيمي المتنقل

ويمكن أن يؤدي تصميم أسرة من وحدات توربينية - 50 كيلوواط، و 100 كيلوواط، و 150 كيلوواط، وأجهزة ضغط مختلفة ذات مقاسات، إلى خفض التكاليف العامة للوحدة عن طريق تقاسم المنصات، وهذا النهج مماثل لطريقة استخدام صانعي السيارات لأسر المحركات عبر نماذج متعددة، ويمكن أن يكون اللب الدوار (الطاقة الدوارة، العجلات الدوارة، المحملات) متطابقاً مع الشريك والمولد.

التوقعات المستقبلية

ولا يزال إدماج التوربينات الغازية في المركبات الكهربائية الهجينة في مرحلة البحث والعرض، ولكن عدة اتجاهات تشير إلى التسويق. SAE Technical papers] قد أظهرت بالفعل أن مواجيز النطاقات الدقيقة يمكن أن تحقق وزنا أقل من وزن النظام وحجما أصغر من المكافئات القائمة على أساس البستون بالنسبة للهيجينات العالية.

الضغط التنظيمي لخفض ثاني أكسيد الكربون من النقل قد يعجل الاستثمار في الهجينات التربينية، خاصة إذا أصبح الهيدروجين متاحاً على نطاق واسع، كما أن توربينات الغازات توفر إمكانية استخدام الوقود الجوي المستدام أو الوقود الأحيائي، متوافقة مع أهداف إزالة الكربون في مختلف القطاعات، وفي حين أن التحديات في التكلفة والانبعاثات والإدارة الحرارية لا تزال قائمة، فإن اعتبارات التصميم المبينة في هذه المادة توفر حواجز مبتكرة أمام توليد الطاقة الكهربائية

وفي الختام، يتطلب تصميم توربين الغاز لمركبات كهربائية مختلطة نهجاً شاملاً يوازن الأداء الحراري، والقوة الميكانيكية، والتحكم الحراري، والتكلفة، وبتحسين كفاءة استخدام جزء من الحمولة من خلال قياسات جغرافية متغيرة واستجمامات، واستخدام مواد خفيفة الوزن، والتصنيع المضاف، والدمج الدقيق في تركيبة محركات كهربائية، يمكن للمهندسين أن يكشفوا عن مرونة في مجال الطاقة.