فن آوری های مقیاس کوچک

سیستم‌های مجتمع تولید پراکنده که عموما از فن‌آوری‌های مقیاس کوچک، به‌منظور تولید برق (و حرارت) در محل مصرف بهره می‌برند، به طور کلی از ۳ بخش اصلی تشکیل شده‌اند که عبارت‌اند از:

• محرک اولیه   Prime Mover
• مولد برق   Electricity Generator
• سیستم‌های کنترلی   Control Systems

محرک‌های اولیه از انرژی‌های مختلفی از قبیل انرژی حاصل از احتراق سوخت، انرژی باد، آب، نور خورشید و… به منظور تولید انرژی مکانیکی استفاده کرده و پس از کوپلاژ شدن با ژنراتور، قادر به تولید برق در ظرفیت‌های گوناگون از چند کیلووات تا ده‌ها مگاوات می‌باشند.

غالباً مجموعه محرک اولیه و مولد تولید برق را در اختصار، مولد مقیاس کوچک یا مولد تولید پراکنده می‌نامند. امروزه فن‌آوری‌های قابل‌قبول و مورد استفاده به عنوان مولد نیروگاه‌های تولید پراکنده شامل موارد زیر است:  

موتورهای رفت و برگشتی (موتور گازسوز / موتور دیزل)	Reciprocating Engines (Gas Engine / Diesel Engine)
توربین گازی	Gas Turbine
توربین بخار	Steam Turbine
میکرو توربین	Micro Turbine
سیستم‌های خورشیدی	Solar Systems (Photovoltaic1 & Combustion)
پیل سوختی	Fuel Cell

_{توضیح ^۱: سیستم های فتوولتائیک خورشیدی، نیازی به محرک اولیه ندارند.}

موتورهای رفت و برگشتی Reciprocating Engines

امروزه استفاده از فن آوری شناخته شده ی موتورهای رفت و برگشتی بسیار گسترده است. از این موتورها در اتومبیل های سبک و سنگین، ماشین آلات ساختمانی و معدنی و نیروی محرکه ی ناوگان های عظیم دریایی گرفته تا نیروگاه های تولید انرژی برق (و حرارت) استفاده می شود.

موتورهای رفت و برگشتی به دو دسته ی کلی تقسیم می شوند:

1. موتورهای گازسوز با مکانیزم احتراق جرقه ای Spark Ignition – SI که با سیکل اوتو (Otto Cycle) کار می کنند.
2. موتورهای دیزل با مکانیزم احتراق تراکمی Compression Ignition – CI که با سیکل دیزل (Diesel Cycle) کار می کنند.

ساختار اصلی مکانیکی هر دو نوع مشابه بوده و از چندین سیلندر همراه با پیستون هایی درون آن ها که به صورت رفت و برگشتی حرکت می کنند، تشکیل شده است. پیستون ها به وسیله ی یاتاقان (bearing) به یک میل لنگ (Crank Shaft) متصل هستند که وظیفه ی آن تبدیل حرکت خطی پیستون به حرکت دورانی است.

تقریباً تمام موتورهایی که به منظور تولید برق بکار میروند، چهار زمانه (۴ Stroke) بوده و در چهار مرحله (مکش، تراکم، احتراق و تخلیه) کار می کنند.

1. مرحله مکش (intake): در ابتدا سوخت و هوا با نسبت معین (به‌صورت مخلوط یا جداگانه) به محفظه احتراق هدایت می‌شوند. در برخی از موتورها برای افزایش قدرت خروجی از توربوشارژر یا سوپرشارژر استفاده می‌شود.
2. مرحله تراکم (compression): هوا و یا مخلوط سوخت و هوا (mixture) در محفظه احتراق با بالا آمدن پیستون متراکم می‌شود.
3. مرحله احتراق (combustion): احتراق سوخت بر اساس مکانیزم موتورهای SI یا CI انجام شده و قدرت تولید شده در نتیجه آزاد شدن انرژی شیمیایی سوخت باعث به عقب راندن پیستون می‌شود. حرکت پیستون به سمت پایین باعث چرخش میل‌لنگ و تولید قدرت دورانی می‌گردد. بدین ترتیب می‌توان از قدرت تولید شده توسط موتور با استفاده از یک ژنراتور برق، الکتریسیته تولید نمود.
4. مرحله تخلیه (exhaust): گازهای داغ حاصل از احتراق با بالا آمدن مجدد پیستون از طریق دریچه خروجی به بیرون هدایت می‌شوند و بدین ترتیب سیکل کامل می‌شود.

در موتورهای گازسوز سوخت و هوا به صورت جداگانه یا به صورت مخلوط (mixture) به محفظه ی احتراق وارد شده و پس از متراکم شدن مخلوط سوخت و هوا، احتراق با جرقه شمع انجام می گیرد. سوخت این موتورها می تواند گاز طبیعی، بنزین یا پروپان باشد اما سوخت اصلی مورد استفاده در نیروگاه های تولید پراکنده به منظور تولید برق (و حرارت)، گاز طبیعی است. نسل جدید موتورهای گازسوز از مزایای منحصربفردی برخوردارند که آن ها را به انتخاب اول در میان مولدهای مقیاس کوچک مورد استفاده در نیروگاه های تولید پراکنده، تبدیل نموده است.

موتورهای گازسوز مکانیزم احتراق جرقه ای (SI)

موتورهای دیزل مکانیزم احتراق تراکمی (CI)

در موتورهای گازسوز سوخت و هوا به صورت جداگانه یا به صورت مخلوط (mixture) به محفظه احتراق وارد شده و پس از متراکم شدن مخلوط سوخت و هوا، احتراق با جرقه شمع انجام می‌گیرد. سوخت این موتورها می‌تواند گاز طبیعی، بنزین یا پروپان باشد اما سوخت اصلی مورد استفاده در نیروگاه‌های تولید پراکنده به منظور تولید برق (و حرارت)، گاز طبیعی است. نسل جدید موتورهای گازسوز از مزایای منحصربفردی برخوردارند که آن‌ها را به انتخاب اول در میان مولدهای مقیاس کوچک مورد استفاده در نیروگه‌های تولید پراکنده، تبدیل نموده است.

در موتورهای دیزلی سوخت و هوا به طور جداگانه وارد محفظه احتراق می‌شوند. به این صورت که ابتدا هوای متراکم خروجی از توربوشارژر یا سوپرشارژر وارد محفظه احتراق می‌شود. سپس در محفظه احتراق، پیستون با حرکت به سمت بالا، هوا را متراکم‌تر می‌کند. با تراکم هوا دمای آن بالا رفته و در این لحظه سوخت به داخل محفظه احتراق به صورت اتمیزه شده، تزریق می‌گردد. دمای هوای متراکم به قدری است که به محض تزریق سوخت عمل احتراق صورت می‌گیرد. سوخت اصلی این موتورها، گازوئیل (Gas Oil) است. موتورهای دیزل در قدیم کاربرد گسترده ای در تولید برق به صورت بار پایه داشتند. اما امروزه به علت عدم صرفه اقتصادی تامین سوخت مصرفی آن‌ها و آلایندگی زیاد، صرفا به عنوان مولدهای آماده بکار در مواقع اضطراری (Emergency Standby Generators)، یا در مدت زمانی محدود در شبانه روز به منظور تولید توان پیک (Peak Shaving)، مورد استفاده قرار می گیرند.

ویژگی های موتورهای گازسوز

• استفاده بهینه از منابع گازی کشور به ویژه در فصول گرم سال

ايران به عنوان دومين كشور دارنده ذخايرگازي در دنيا، بايستي از اين فرصت استفاده كرده و هرچه بيشتر در جايگزيني گاز طبيعي به جاي ساير حاملهاي انرژي به ويژه جهت توليد برق اقدام نمايد. در اين راستا و همچنين با توجه به رشد حدود ۱۰ درصدي تقاضاي برق در هر سال و استفاده از اين منبع انرژي به خصوص در فصول گرم سال، توسعه سيستم هاي گازسوز مي تواند يكي از بهترين راهكارها جهت برطرف نمودن مشکلات تولید برق، به ویژه در ساعات اوج مصرف تلقی گردد.

• قابلیت اطمینان بالا و تولید توان با کیفیت (در صورت نگهداری صحیح)
• راندمان بسیار بالا در مقایسه با سایر نیروگاه های مرسوم (آبی، بخاری، گازی، سیکل ترکیبی، دیزلی)
• راندمان مولدهای گازسوز به ۴۷% و در صورت استفاده از سیستم CHP/CCHP، به۸۵ تا ۹۲ درصد نیز می رسد.
• قابلیت بازیافت موثر انرژی حرارتی که آن را به مولدی ایده آل برای استفاده در سیستم های تولید همزمان CHP/CCHP بدل نموده است.
• سرمایه گذاری اولیه جهت ساخت نیروگاه های مقیاس کوچک بر پایه مولدهای گازسوز، بسیار کمتر از سایر نیروگاه هاست به طوری که امکان مشارکت بخش خصوصی به خوبی فراهم می‌گردد.
• میزان مصرف آب اینگونه موتورها بسیار ناچیز بوده و این مسئله با توجه به خشک و بیابانی بودن بیشتر مناطق کشور، امری حیاتی تلقی می‌شود.
• کاهش چشمگیر آلایندگی محیط زیست.
• قابليت استفاده از انواع سوخت‌ها شامل گاز طبيعی، بيوگاز، گازوئيل، مازوت، نفت خام و گازهاي ضايعاتي پالايشگاه‌ها.
• قابلیت نصب در قالب واحدهای کانتینری و انتقال آن در صورت نیاز.
• حساسیت کمتر توان خروجی نسبت به شرایط محیطی (دما، رطوبت، ارتفاع) در مقایسه با سایر نیروگاه‌ها.
• کاهش چشمگیر هزینه‌های سوخت، تعمیرات و نگهداری در مقایسه با سایر نیروگاه‌ها.
• افت راندمان ناچیز زیر بارهای کمتر از بار کامل (efficient in partial load)
• سرعت راه اندازی بسیارکوتاه (۱۰ ثانیه)
• گستره وسیع تولید توان از چند کیلووات تا چندین مگاوات
• موتورهای گازسوز به توان الکتریکی بسیار کمی برای راه‌اندازی نیاز دارند که می‌توان آن را به راحتی از باتری‌های قابل شارژ تامین نمود. (Black-Start Capability)

با توجه به سياست وزارت نيرو در خصوص احداث نيروگاه‌های جديد، افزایش كسری برق در سال‌های آتی و نيز پائين بودن راندمان نيروگاه‌های معمول و همچنین با در نظر گرفتن سهولت دسترسی به منابع عظیم گازی در ایران، بهره‌گیری از نیروگاه‌های تولید پراکنده با قابلیت CHP و CCHP برپایه فن‌آوری پیشرفته مولدهای گازسوز امروزی، راهکاری مطمئن و موثر در راستای برطرف‌کردن بخشی از مشکلات صنعت برق کشور است.