התפתחות הכוח הגותרמי ותפקיד החדשנות של Turbine

אנרגיה גיאותרמית היא אחד מקורות הכוח המתחדשים התואמים ביותר, המסוגל לספק עומס חשמל בסיס עצמאי בתנאי מזג אוויר.חום הפנים של כדור הארץ, גישה דרך בארות קידוח לתוך מאגרים סלעיים חמים, משמש כדי להניע טורבינות המייצרות חשמל. בעוד המשאבונות האחרונים בשפע, יעילות כלכלית וסביבתית שלה תלויה במידה רבה ביעילות ובאמינות של מערכות טורבינות שממירות אנרגיה תרמית לעוצמה גיאומית, לעתים קרובות, עם מחזורים שונים של מינרלים, או יותר, חומרים גמישים, אשר מופעלים יותר, עם חומרים גמישים, חומרים כימיים, וגמישות גבוהה יותר, ואוויריים, ואוויריים, וגמישות גבוהה יותר, וגמישות גבוהה יותר, הם מעורבים יותר, עם חומרים גמישים יותר, עם חומרים גמישים, עם חומרים גמישים יותר, עם אנרגיה ירוקה, עם חומרים גמישים, לחץ דם מגנטיים, עם אנרגיה גמישים יותר, עם חומרים גמישים, עם אנרגיה גמישים, עם אנרגיה ירוקה, אנרגיה ירוקה, עם אנרגיה גמישים, עמידות גבוהה יותר, עם חומרים גמישים, עמידות גבוהה יותר, אנרגיה ירוקה, אנרגיה ירוקה, לחץ דם נוזליים, לחץ דם מגנטיים, עמידות גבוהה יותר, עמידות גבוהה יותר, לחץ דם מגנטיים, עמידות גבוהה יותר, עמידות גבוהה יותר, עמידות גבוהה יותר

דחיפה העולמית לדה-קרבן הובילה למחקר מעמיק באדריכלות ובחומרים מתקדמים של טורבינות (FLT:0) מחלקת האנרגיה של ארה"ב של EnergyMatFLT:1), דור חשמל גיאותרמי יכול להגדיל יותר מ-20 פעמים עד שנת 2050 עם חדשנות מתמשכת.עיצוב Turbine הוא בלב הפוטנציאל הזה. מאמר זה חוקר את פריצות הדרך האחרונות בחומרים, אינטגרלי אוויר, ארכיטקטורות דיגיטליות, ושילובים דיגיטליים.

הבנת האתגרים במבצע ג'ותרמאל טורביין

לפני בחינה של ההחידושים, חיוני להבין את הסביבה התפעולית הקשה שגורמת עיצוב טורבינות גיאותרמי במיוחד תובעני.בניגוד טורבינות קיטור בצמחים תרמיים קונבנציונליים, טורבינות גיאותרמית חייבת להתמודד עם נוזלים עבודה המכילים מינרלים מתמוססים, סיליקה, כלורידים, סולפטים, וגזים קורוזיים כמו מימן sulfide (H2S) ופחמן פחמן (CO2) גורמים אלה:

  • (ב) ,0 CorrosionFLT:1 , התקפה חומצית על רכיבי פלדה, במיוחד בטמפרטורות גבוהות (150-350 ° C).
  • (FLT:0) scalingFLT:1 - משקעים של סיליקה, סידן פחמן, או מתכת סולפטים על להבים טורבינות, נועלות, ו casings, צמצום היעילות ודורש ניקוי תכוף.
  • (ב) ,0) ,(א) , (ב) ,ב) , (ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) עייפות אטרמלית (FLT:1) - תנודות טמפרטורה מהירות במהלך ההפעלה והפסקת גורם ללחץ חומרי.

גורמים אלה מקצרים את תוחלת החיים של טורבינה, להגדיל את עלויות התחזוקה, ולצמצם את יעילות התרמודינמיקה עם עיצובים מסורתיים.החידושים שנדונו להלן ישירות לטפל בנקודות הכאב הללו.

חומרים מתקדמים: «להאריך את החיים של Turbine בתנאים קיצוניים

קורוזיה-Resistant Alloys ו Superalloys

אחת מפיצות הדרך החומריות המשמעותיות ביותר הייתה פיתוח של superalloys מבוסס ניקל ששמרו על כוח ומתנגדים לקורוזיון בטמפרטורות מעל 500 מעלות צלזיוס ביישומים גיאותרמיים, ⁇ כגון Inconel 625, Hastelloy C-276, ו- titanium-stabilized נירוסטה משמש כעת עבור להבים, דיסקים, קלוריטים, ו-Aving חומרים אלה, 000 חשיפה של 1GRide, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 000 000 000 000 000 000, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

קידודים מוגנים וטיפולים על פני השטח

החל ציפויי תרסיס תרמי מתקדמים (למשל, oxide אלומיניום, chromium carbide, או tungsten carbide) כדי להב משטחים יוצר מחסום קשה נגד שחיקה וסקאלה. ציפויים חדשים עצמיים, שילוב מיקרו-capsulesulesules כי שחרור מעכבי קורוזיון כאשר הם נבדקים בצמחים בניו זילנד וניו זילנד, מאפשר ציפויים פיזיים מדויקים של טכניקות עמידות (Dird) ללא צורך נמוך יותר של יעילות).

Ceramic Matrix Composites (CMCs)

(המטאפורה של סרמיצית, המשלבת סיבי סיליקון עם ממטריקס קרמיקה, מציעים שינוי צעד בביצועים עתירי זמן גבוהים. CMCs יכול לפעול בטמפרטורות עמידות עד 1200 מעלות צלזיוס, הרבה מעבר ליכולות של כל סגסוגת מתכת.עבור טורבינות גיאותרמיות, זה מאפשר שימוש מחזורי קיטור על-חום עם יעילות תרמית גבוהה יותר.

המונחים: Aerodynamics and Manufacturing

Fluid Dynamics (CFD) אופטימיזציה של פרופילים בודה

להבים מסורתיים של צמחים גיאותרמיים הועתקו לעתים קרובות מעיצוב טורבינות קיטור עבור צמחי פחם, אשר פועלים עם תנאים אדים שונים היום, סימולציות CFD מאפשרות למהנדסים לעצב פרופילים מותאם אישית אשר מהווים את התוכן הספציפי לחות, ירידה בלחץ וכימיה של אדים גיאותרמית. מזהמים אלה להפחית את הפרידה הזרם ואת ההפסדים משניים, עלייה של יעילותם על ידי 3-7 נקודות, לדוגמה, ג'י של חומרים מתקדמים, על ידי 3.

ערוצים פנימיים למבצע תאטרון גבוה

במחזורים בינאריים בעלי טמפרטורה גבוהה ומערכות גיאותרמיות סופר קריטיות, נוזל העבודה יכול לעלות על 500 מעלות צלזיוס. כדי להגן על מתכת להב, מעצבים משלבים מעברים קירור פנימיים שמדממים שבריר קטנה של קיטור או CO2 דרך פנים הלהב.ייצור התוסף המודרני (3D הדפסה) מאפשר יצירת ערוצי קירור נחשים מורכבים שלא היו מסוגלים להטיל באופן קונבנציונלי.

ייצור תוספתי עבור Prototyping ו ספארי חלקים

השימוש של הדפסה תלת מימדית משתרע מעבר לערוצי קירור.ייצור תוספתי מאפשר ייצור של צורות להב מורכבות עם ירידה במשקל ואופטימיזציה של חלוקת מתח.זה גם מתייחס לבעיה כרונית בתעשיית הגיאוגרפית: זמן רב להוביל עבור להבים חלופיים. צמחי גיאותרמל לעתים קרובות לפעול עם עיצובים מיוחדים טורבינות, ואת להב שבור יכול לסגור יחידת לחודשים.עם הדפסה 3D, מפעילי הדפסה יכולים להחליף להבים על ידי רמות ייצור ממוצע של 20 ימים, 000 שנים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 על ידי ייצור מוקדם יותר מאשר על ידי עלויות ייצור מוקדם יותר מאשר זמן קצר לאחר מכן, 000 על ידי עלויות ייצור גיאודות חשמל מאוחר יותר, 000 שנים.

חידושים באדריכלות Turbine: Binary, Multi-Stage, ומעבר ל-Over

Turbines: הרחבת בסיס המשאבים

תחנות כוח מחזור בינאריות מהפכה בפיתוח גיאותרמאל על ידי כך שאיפשרו לדור חשמל ממשאבים בינוניים-זמניים (80-180 מעלות צלזיוס) שהיו בעבר בלתי-כלכליים. במערכת בינארית, נוזל גיאותרמאל מחמם נוזל עבודה משני (בעיקר תרכובת אורגנית כגון פתח, R-13a, או R-245fa) אשר מחוסמת בטמפרטורה נמוכה יותר ואווירה דורשות שילוב של טורבינות עבודה אחרונה.

  • (FLT:0) מרחיבים סופרוזיים (Supersonic מרחיבים) 1:1 - נוודים המזרזים את נוזל העבודה למהירויות סופר-סוניות, השגת עבודה ספציפית גבוהה יותר לשלב ולהפחית את מספר השלבים הדרושים.
  • (FLT:0) צירי מול עיצובי זרימה קורנים של ריצוף 1 (הקרר לדחוסים צנטריפוג) הם כיום בעד צמחים קטנים עד בינוניים בשל הקומפקטיות והסובלנות שלהם לזרימת שתי נקודות.
  • (FLT:0) אופטימיזציה של נוזל עיבוד נוזל 1 - תערובת של פחמימנים ו refrigerants המציגים אפס אפס אוזון פוטנציאל התחממות כדור (ODP) ופוטנציאל התחממות כדור נמוך גלובלי (GWP) תוך שמירה על יעילות מחזור גבוהה.

דוגמה בולטת היא צמח צ'נה הוט ספרינגס בינארי באלסקה, המשתמש בזרימת אוריינות מונחה על ידי הילוכים עם תערובת נוזל עבודה חדשנית לייצר 400 קילוואט מ 74 מעלות צלזיוס מים גיאותרמיים.צמח זה פעל במשך יותר מעשור עם תחזוקה מינימלית טורבינות, המוכיח את האמינות של מחזורי בינארי מודרני.

Multi-Stage Turbines: Efficient Energy Extraction

טורבינות רב-שלביות, נפוצות בצמחי דלק מאובן גדולים, מוחלות יותר ויותר על משאבים גיאוותרמאליים. על ידי חלוקת הרחבת קיטור או vapor על פני שלבים מרובים של לחץ, טורבינות אלה להפחית לחות שלב קצה ולשפר את היעילות. בצמחים גיאוותרמאליים, שבו ריכוז גבוה נכנס לשלב הראשון ולאחר מכן הוא מחממת או ממוזג עם קיטור משני ממתכת שנייה, עיצובים מרובים יכול להגביר את הכוח לעומת 12% - 18 -2 - תצורה של תצורה מתקדמת:

  • (ב) ב[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) Back-pressure ו condensing תצורה של תצורה של תצורה של תצורה 1:1 - טורבינות אחורית מדכאת ממצה ללחץ אטמוספירי (שימוש ביישומים קיטור ישיר), בעוד טורבינות condensing להשתמש a condenser כדי ליצור ואקום, הגדלת טיפות ההלכתיות מרובות שלבים הם סטנדרטיים בתחומים הגיאוגרפיים הגדולים ביותר, כגון Gey, שבו 100 יחידות.

הצמח הגיאורמי היתרמיוני באיסלנד משתמש בטורב טורבינות בגודל 45 מגה-במה רב-שלבית שפועלת עם קיטור ממערכת פלאש בלחץ גבוה.העיצוב של טורבינה משלב להבים טיטניום בשלבים האחרונים כדי להתנגד לשחיקה מתכנים גבוהים, השגת יעילות אנטרופית של 89%.

עיצובים מודולריים ו Scalable Turbine

כדי להפחית עלויות upfront ולאפשר פיתוח של מאגרים גיאותרמיים קטנים יותר, יצרנים מציעים כעת חבילות טורבינות מודולריות מודולריות.יחידות אלה הם מפעלים - assembled-assembled-d-ed- ממולא, וניתן להעביר ולהזמין בשבועות ולא שנים. טורי טורבינות מודולריות טיפוסיות טווח בין 1 ל 10 MW ולהשתמש במרכיבים סטנדרטיים שניתן לשכפל כדי להגדיל את היכולת.

אינטגרציה דיגיטלית: בקרה חכמה, תאומים דיגיטליים ותחזוקת חיזוי

חידושים טורבינות האחרונים אינם מוגבלים לחומרה.חבילות חיישן מתקדמות ואלגוריתמי למידת מכונה מאפשרים כעת ניטור רציף של ביצועי טורבינות, רטט, פרופילי טמפרטורה, ו-להבה של טכנולוגיית תאומים דיגיטלית - העתק וירטואלי של טורבינות המדמים תנאים תפעוליים בזמן אמת - מאפשר למפעילים לבחון אסטרטגיות בקרה שונות מבלי להפריע לייצור.עבור טורבינות גיאותרמיות, תאומים דיגיטליים שימשו כדי לייעל רצפי סטארט-אפ למזער לחץ תרמי ולנבא מצופה מ-20% מ-ידי פיילוטים ב-ידי פיילוטים ב-ידי פיילוטים ב-ידי קיבולת של 40-40 אחוזים לפני שמופעל.

אלגוריתמים של תחזוקה חיזוי מנתחים נתונים היסטוריים לכשל רכיב, המאפשרים להחליף במהלך הפסקות מתוכננות ולא תיקונים חירום.זה קריטי בתחומים גיאותרמאליים מרוחקים שבהם לוגיסטיקה לחלקים כבדים מאתגרת.שילוב האינטרנט של הדברים (IoT) חיישנים עם מחשוב קצה גם מאפשר שליטה אוטונומית של תנאי טורבינות, התאמת לחץ ונקודות טמפרטורה כדי להתאים לשינויים במאגר הגיאוגרפי.

השפעות סביבתיות וכלכליות של החדשנות Turbine

היתרונות הסביבתיים של עיצוב טורבינות משופר הם כפול. הראשון, יעילות גבוהה יותר פירושה יותר חשמל ליחידת נוזל גיאותרמי מופק, צמצום מספר בארות הדרושות וצמצום הפרעות פני השטח.שני, חומרים מתקדמים יותר ובקרת דרוג טוב יותר להפחית את הצורך בתוספים כימיים (כגון מעכבי משקל) שיכולה לסווג מים גלימה מודרנית עם אפס צורות של פליטה נוזליות כדי לחסל את פני השטח הנמוך ביותר של פחמן (R2) אשר כבר יכול לנפח אנרגיה מתחדשת של אנרגיה אחת), אשר יכול כבר יכול לנפח מחדש של אנרגיה אחת (כלומר, 000 אנרגיה אחת) אשר יכול כבר יכול להיות שווה ערך פחמן דו-חמצני, 000 פחמן דו-חמצני, 000.

מבחינה כלכלית, העלות של תחנת כוח גיאותרמית נשלטת על ידי קידוח ופיתוח שדה, אבל יעילות טורבינות משפיעה ישירות על הכנסות. A 5% יעילות טורבינות יכול לתרגם לירידה של 3 עד5% בעלות הדרגתית של חשמל (LCOE) עבור צמח הבזק טיפוסי.עם טורבינות חדשנית להפחית את עלויות תחזוקה ולהרחיב את חיי הנכס, שיעור החזרה הפנימי של פרויקטים גיאומטריים הופך אטרקטיבי יותר בהשוואה לטכנולוגיות אוויריות מתקדמות, במיוחד כאשר עיצובים של אנרגיה גמישה.

כיוונים עתידיים ואתגרים

למרות התקדמות מרשימה, כמה מחסומים נשארים.מערכות גיאותרמיות סופר קריטיות, אשר נגישות נוזלים בטמפרטורות מעל 374 מעלות צלזיוס ולחץ מעל 22 MPa, דורשות עיצובים טורבינות חדשים לחלוטין המסוגלים להתמודד עם סביבות אגרסיביות מאוד.מחקר נמשך באמצעות CO2 כנוזל עבודה במחזורים גיאותרמית ביקורתיים, אשר ימנף את תכונות ההעברה החום העליון של CO2 וקטן יותר, עם גישה זו, דרישות CO2 כימותק יכול לעמוד בחומרים ייחודיים עם חומרים גאות של חומרים גיאורידים גיאומטריים ייחודי של גיאומטריד.

רעיון מתפתח נוסף הוא ה- 0 (FLT:0) טורבינות ה-FhardownFIRLT:1), מכשיר שהוצב ישירות בתוך ה-Girthermal היטב כדי לייצר חשמל במאגר, תוך חיסול הצורך ב-משטח וחילופי חום. בעוד עדיין בשלב מוקדם של אב הטיפוס, טורבינות למטה יכול להפחית באופן דרמטי את העלויות עבור פרויקטים גיאותרמאליים עמוקים.

לבסוף, דרוג טכנולוגיות אלה דורש שיתוף פעולה מתמשך בין מדענים חומריים, יצרני טורבינות ומפעילים גיאוותרמאליים.פיתוח עיצובים סטנדרטיים שניתן להתאים למאכי משאבים שונים יפחית את מחסומים הכניסה לשווקים חדשים.

מסקנה

חידושים בעיצוב טורבינות פותחים את מלוא הפוטנציאל של אנרגיה גיאותרמית.מסופרוויס עמידים בפני קורוזיה וערוצי קירור בעלי 3D מודפסים למחזורים בינאריים ותאומים דיגיטליים, הנוף הטכנולוגי מתפתח במהירות.ההתקדמות הזו לא רק משפרת את היעילות ולהפחית את העלויות, אלא גם מרחיבה את טווח המשאבים הגיאוגרפיים שניתן לפתח מבחינה כלכלית.