マイクロタービン

マイクロタービン(MT)は、大型ガスタービンと同様のサイクルとコンポーネントを備えた小型ガスタービンです。タービン直径の縮小によりシャフトの回転速度が上昇するため、MT のパワーウェイトレシオは大型ガスタービンよりも優れています。大型ガスタービン発電機は分散型電源用途には大きすぎて高価すぎるため、MT は小規模電力 (電力発電のみ、または冷暖房電力複合 (CCHP) システム) 用に開発されています。^[1] MT は 、ピストンエンジンターボチャージャー、航空機補助動力装置(APU)、または冷蔵庫サイズの小型ジェットエンジンから進化した、25～500 kW (34～671  hp ) のガスタービンです。^[2] 初期のタービンは 30～70 kW (40～94 hp) でしたが、200～250 kW (270～340 hp) に成長しました。^[3]

これらは、 1軸または2軸上のコンプレッサ、燃焼器、インペラ/タービン、発電機で構成されています。コンプレッサ効率を向上させるために廃熱を捕捉する復熱装置、中間冷却器、再加熱装置を備えることができます。回転数は40,000 RPMを超え、一般的な単軸マイクロタービンは通常90,000～120,000 RPMで回転します。^[2] 多くの場合、単段ラジアルコンプレッサと単段ラジアルタービンを備えています。復熱装置は高圧および高温度差下で動作するため、設計と製造が困難です。

電子機器の進歩により無人運転が可能になり、電子電力スイッチング技術により発電機を電力網と同期させる必要がなくなり、発電機をタービンシャフトに統合してスターターモーターとしても機能させることができます。ガスタービンは、ガソリン、天然ガス、プロパン、ディーゼル燃料、灯油などのほとんどの市販燃料のほか、 E85、バイオディーゼル、バイオガスなどの再生可能燃料も使用できます。灯油やディーゼルで始動するには、プロパンガスなどのより揮発性の高い製品が必要になる場合があります。マイクロタービンはマイクロ燃焼を使用できます。

フルサイズのガスタービンではボールベアリングがよく使用されます。マイクロタービンは1,000 °C (1,270 K; 1,830 °F) の温度と高速回転のため、オイル潤滑とボールベアリングは実用的ではありません。空気ベアリングまたは磁気ベアリングが必要になります。^{[4]潤滑油、}冷却剤、その他の危険物質を使用せずに、フォイルベアリングと空冷で動作するよう に設計されることもあります。^[5]

部分負荷効率を最大化するために、統合システムでは必要に応じて複数のタービンを始動または停止できます。^[3] 往復エンジンは電力要件の変化に迅速に対応できますが、マイクロタービンは低電力レベルで効率が低下します。往復エンジンはピストンエンジンよりもパワーウェイトレシオが高く、排出量が少なく、可動部品が少ないか1つだけです。往復エンジンはより効率的で、全体的に安価で、通常はモーターオイルで潤滑される単純なジャーナルベアリングを使用します。

マイクロタービンは、ターボ発電機やターボ発電機としてコジェネレーションや分散型発電に使用したり、ハイブリッド電気自動車に動力を与えたりすることができます。廃熱の大部分は比較的高温の排気に含まれるため、回収が容易ですが、レシプロエンジンの廃熱は排気と冷却システムの間で分割されます。^[6]排気熱は、給湯、暖房、乾燥プロセス、または電気エネルギーではなく熱エネルギーから空調用の冷気を作り出す吸収 式冷凍機 に使用できます。

マイクロタービンの効率は、回生装置なしで約15％、回生装置ありで20～30％で、コジェネレーションでは熱電併給効率が85％に達する。^[2] 回生装置付きの新潟パワーシステムズ300kW（400馬力）RGT3Rの熱効率は32.5％に達し、回生装置なしの360kW（480馬力）RGT3Cは16.3％である。^[7] キャップストーンタービンは、 200kW（270馬力）C200SのLHV電気効率が33％であると主張している。 ^[8]

1988年、NEDOは日本のニューサンシャイン計画の一環としてセラミックガスタービンプロジェクトを開始しました。1999年には川崎重工業の再生型2軸311.6kW（417.9馬力） CGT302が42.1%の効率と1,350°C（1,620K、2,460°F）のタービン入口温度を達成しました。^{[9] [10]} 2010年10月、キャップストーンは米国エネルギー省から、現在の200kW（270馬力）と65kW（87馬力）のエンジンから派生した2段中間冷却式マイクロタービンの設計を受注しました。これは、42%の電気効率を目標とする370kW（500馬力）タービン用です。^[11]ラッペーンランタ工科大学 の研究者らは、45%の効率を目指して500kW（670馬力）の中間冷却・回生型2軸マイクロタービンを設計した。^[12]

フォーキャスト・インターナショナルは、2008年から2032年までの生産台数ベースでキャップストーンタービンの市場シェアが51.4%になると予測しており、続いてブレイドン・ジェッツが19.4%、MTTが13.6%、フレックスエナジーが10.9%、アンサルド・エネルギアが4.5%となっている。^[13]

MIT がミリメートルサイズのタービン エンジン プロジェクトを開始したのは 1990 年代半ばで、当時は航空宇宙工学の教授であるアラン H. エプスタインが、大型タービンが小さな都市の電力需要を満たすのと同じように、現代人の電気需要をすべて満たす個人用タービンの開発の可能性を検討していたときでした。これらの新しいマイクロタービンでは、放熱と高速ベアリングに問題が発生しました。さらに、期待される効率は 5 ～ 6% と非常に低いです。エプスタイン教授によると、現在市販されているリチウムイオン充電式バッテリーの電力供給量は約 120 ～ 150 Wh/kg (200 ～ 240 kJ/lb) です。 MITのミリメートルサイズのタービンは、短期的には500〜700Wh/kg（820〜1,140kJ/lb）を供給し、長期的には1,200〜1,500Wh/kg（2,000〜2,400kJ/lb）に増加する予定です。^[14]

ベルギーのルーヴェン・カトリック大学が製造した同様のマイクロタービンは、ローター直径が20mmで、約1,000W（1.3馬力）の電力を生産すると予想されている。^[4]

サフランが支援するフランスの新興企業ターボテックは、効率を10～30%向上させる回生装置付き73kW（98馬力）ターボプロップエンジンを開発中だ。同エンジンはピストンエンジンと同程度の燃料消費率で、冷却抵抗がなく、30kg（66ポンド）軽い55kg（121ポンド）となる。ターボテックによると、燃料の多様化とオーバーホール間隔が2倍の4,000時間になることでメンテナンス費用が低減し、直接運用コストが30%削減されるという。このエンジンは高級超軽量2人乗り機と無人航空機をターゲットとしており、競合製品のロータックス912よりも若干高価になるが、ライフサイクル全体では同等の競争力があるはずだ。VTOLの2人乗り機の場合、55kW（74馬力）のターボ発電機の重量は、燃料込みで85kg（187ポンド）で、バッテリー1トン分の代わりに2.5時間の飛行が可能になる。実証機は2016年から2017年にかけて走行し、地上試験は2018年後半に開始され、その後2019年後半に飛行試験が行われ、2020年前半に初納入が予定されている。 ^[要更新] 最終組立ラインはパリ近郊のトゥーシュ・ル・ノーブル空港に建設され、2025年までに年間1,000基の生産を 目指す。 ^[15] 30%の効率は、42.7 MJ/kgの燃料で281 g/kWhの燃料消費に相当します。64 kg (141 lb) のTP-R90ターボプロップまたはTG-R90ターボ発電機は、90 kW (120 hp) を出力でき、巡航時には1時間あたり18～25 L (4.8～6.6 US ガロン) のジェット燃料を燃焼します。^[16]

チェコのPBS Velká Bítešは、超軽量機や無人航空機向けに、重量61.6 kg (136 lb) 、消費電力515 g/kWh (5.05 oz/MJ)の180 kW (240 hp) TP100ターボプロップエンジンを提供しています。^[17] これは、42.7 MJ/kgの燃料で16.4%の効率に相当します。

マイアミを拠点とするUAVタービンズは、総重量約1,320ポンド（600kg）の航空機向けに40馬力（30kW）のモナークRP（旧UTP50R）回生ターボプロップエンジンを開発し、タイガーシャークUAVでテストしました。^[18] 2019年12月10日、同社は9月に発表されたモナーク5タービンをベースにした33馬力（25kW）のハイブリッド電気デモンストレーター、モナークハイブリッドレンジエクステンダーを発表しました。エンジンの重量は27kg（60ポンド）、システム全体の重量は54kg（119ポンド）です。^[19]

長距離電気自動車に使用する場合、静的効率の欠点はそれほど重要ではありません。ガスタービンは最大電力またはそれに近い電力で稼働し、速度とバッテリーの状態に応じて、オルタネーターを駆動してホイールモーターまたはバッテリー用の電力を生成することができるためです。バッテリーは、ホイールモーターに必要な量の電力を供給する「バッファー」（エネルギー貯蔵）として機能し、ガスタービンのスロットル応答は無関係になります。

さらに、大きなギアボックスや可変速ギアボックスも必要ありません。オルタネーターを比較的高速で回すと、オルタネーターを小型軽量化できます。ガスタービンと固定速ギアボックスの優れたパワーウェイトレシオにより、トヨタ プリウス (1.8 リッター ガソリン エンジン) やシボレー ボルト (1.4 リッター ガソリン エンジン) よりもはるかに軽い原動機で済みます。これにより、より重いバッテリーを搭載できるようになり、電気のみでの走行距離が長くなります。あるいは、車両には、より重くて安価な鉛蓄電池や、より安全なリン酸鉄リチウム電池を使用することもできます。

ランドローバー/レンジローバーがブラドンと共同で計画している^{[いつ? ]ような}長距離電気自動車、またはジャガーがブラドンと提携して計画しているような長距離電気自動車では、スロットル応答の悪さ (回転慣性モーメントが高い) は問題になりません^{[要出典] 。}なぜなら、ガスタービンは 100,000 rpm で回転していても、車輪に直接機械的に接続されていないからです。1950 年のローバーのガスタービン駆動プロトタイプ自動車を悩ませたのは、このスロットル応答の悪さでした。この自動車には、ドライバーの要求に応じて突然のパワー スパイクを提供する中間電気駆動トレインの利点がありませんでした^{[さらなる説明が必要]}

• 小型ガスタービンの可変形状により性能向上と環境への影響低減を実現
• 推力範囲1,000Nまでのマイクロターボジェットエンジンの動向
• マイクロガスタービン単軸ターボジェットエンジンの質量モデル
• マイクロガスタービンエンジンの性能調査の概要
• [1]