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这种新型发电机几乎可以使用任何燃料

时间:2023-09-06   访问量:86

现在是 2030 年 1 月,您的电动热泵正在为房子供暖,而您的电动汽车则在车库里充电,所有动力均由屋顶上的太阳能电池板以及当地公用事业公司的风力和太阳能发电机供电。连续两周下雨并不重要,因为您的公用事业公司正在利用去年夏天阳光产生的氨。它在线性发生器中消耗氨。

线性发电机可以快速 在不同类型的绿色(如果需要的话,也可以是非绿色)燃料之间进行切换,包括沼气、氨和氢气。它有潜力使脱碳电力系统可用、可靠且具有抵御天气和燃料供应变化的能力。这不是幻想;而是。它已经被开发、测试和商业部署。

Mainspring Energy 的联合创始人 (我也是其中之一)花了 14 年时间开发这项技术,并于 2020 年开始将其商业化。目前已在数十个地点安装,每个地点发电 230 至 460 千瓦。我们预计明年将有更多地点的线性发电机投入使用。

事情始于斯坦福大学

线性发电机的故事始于大约二十年前的 斯坦福大学先进能源系统实验室,当时机械工程学教授克里斯托弗·爱德华兹 (Christopher Edwards) 向我们中的一些博士询问。向学生提出一个简单的问题:“将化学键能转化为有用功的最有效、最实用的方法是什么?”

我们首先考虑燃料电池,因为它们非常高效。但燃料电池使用催化剂来触发释放能量的化学反应,而催化剂通常成本高昂,随着时间的推移而降解,并且对负载快速变化的响应很差。所以我们开始寻找替代方案。

我们知道,只需压缩空气和燃料的混合物就可以触发能量的释放。这就是它的工作原理。

首先,燃料和空气进入具有可移动端壁的封闭室。接下来,这些端壁彼此相向移动,压缩燃料和空气的混合物。当这种情况发生时,混合物中的分子碰撞得越来越快,直到它们最终分裂并重新形成不同的分子,释放出化学键中储存的能量。这种能量导致新分子更快、更频繁地碰撞,不仅与它们自身碰撞,还与腔室壁碰撞,从而提高了腔室中的压力。这一切都发生在没有火花或任何其他火源的情况下。

压力将壁向外推的力大于循环开始时将壁向内推所需的力。一旦这些壁到达其初始位置,并且室内的压力恢复到其初始状态,一批新的燃料和空气就会流入,将前一个循环产生的分子推出室内,并重新开始整个过程。这就是理论。为了对其进行测试,我们在 2008 年建造了一个装置,能够将体积压缩为初始值的 100 倍,然后再次膨胀回来。我们使用一根长两米、直径 50 毫米的金属管,一端有一个封闭的壁,并有一个金属块作为移动壁。这种装置的工作原理就像活塞压缩发动机气缸内的气体,尽管相似之处就到此为止了——我们设备中的“活塞”没有连接到曲轴或任何东西上。稍后我将讨论这种类型的发动机架构对于此类反应的局限性,以及我们如何使用新型机器来解决这些局限性。但这是一个很好的起点。

我们的第一个设备非常简单——它一次只能运行一次,而且不产生电力;也就是说,我们没有收获所产生的能量。但我们可以用它来测量反应效率,这意味着在膨胀过程中必须向移动壁施加相对于使用的燃料量的额外推力。而且成绩也很优秀, 正如我们所希望的那样,该设备作为燃料电池是高效的。现在我们必须构建一个能够发电并以合理的成本运行多年的版本。2010 年,Shannon Miller、Adam Simpson 和我合并了 Mainspring Energy,构建了一个现实世界的系统。Khosla Ventures提供了我们的初始种子资金;迄今为止,我们已从科斯拉 (Khosla)、美国电力 (American Electric Power)、比尔·盖茨 (Bill Gates) 和NextEra Energy等众多投资者那里筹集了超过 5 亿美元的资金。

使用无焰压缩反应的发电机之前已经在研究实验室中基于传统的内燃机架构建造过,但由于控制此类设备中的反应的难度而受到限制。为了提高效率,混合物需要被压缩到足以引发反应。如果反应发生后继续压缩,它将对抗反应产生的压力,浪费能量。如果压缩停止太快,反应就永远不会发生。

这种最佳压缩会随着条件的不同而变化,首先是燃料的选择:例如,氢的反应压力比氨小。以部分功率输出而不是全功率运行,或者在热天与冷天运行,也会改变最佳压缩。

当反作用力产生的额外压力推动活塞,活塞推动连杆以使曲轴旋转时,传统发动机就会收集能量。无论如何,曲轴的几何形状限制活塞始终遵循相同的运动,因此具有相同的压缩量。这样的发动机无法适应所需压缩的变化,因此很难控制反应。

因此,我们没有模仿发动机,而是设计了一种新机器,将压缩和膨胀运动直接与发电联系起来,从而提供必要的反应控制。这台机器最终看起来与传统发动机完全不同,并且几乎没有共同之处。所以我们觉得需要一个新名字,我们称之为线性发生器。

线性发电机的工作原理

想象一下一系列五个圆柱形组件排列成一条线,固定在一个盒状框架内。中心管为反应室;这是燃料和空气的去向。它的两侧都有一个线性电磁机 (LEM),可将压力的推力直接转换为电能。发电机的每一端都有一个充满空气的圆柱形室,充当弹簧,将 LEM 的移动部分弹回到中心。整个装置——两个空气弹簧、两个 LEMS 和一个反应室——形成了一个线性发电机核心。它又长又瘦:额定功率为 115 kW 的机器长约 5.5 米,高和宽约 1 米。

原则上,LEM 是一种展开成直线而不是圆形的电动机。它由移动部分(平移器)和固定部分(定子)组成。转换器是一根长直管,在其周边、靠近中心的位置上附有一系列钕永磁体。端板盖住每个转换器管并密封到反应室的内表面。转换器的带盖端进行实际的压缩,就像发动机中的活塞一样,但它在设计上有很大不同。定子是一系列铜线圈。当平移器在线圈内沿直线来回移动时,磁铁会产生电流,为 800 伏直流总线供电。

它的工作原理很像再生制动。电动汽车的电机作为发电机反向运行,将汽车的运动转化为电能,为电池供电。在这里,LEM 将翻译器的动能转化为电能。


我们的控制计算机立即通过一系列功率开关晶体管调整流经线圈的电流,以使 LEM 施加或多或少的力。LEM 可以在大约 1/10 毫米内达到所需的周转位置,然后在下一个周期瞄准并达到不同的周转位置。系统确定一个周转位置,在该周转位置,压缩水平在冲程即将结束(最有效的点)之前触发反应。

这种自动快速调整压缩的能力在两个方面非常出色。

首先,发电机在整个负载范围内(从空闲一直到全功率)保持最佳反应过程,以便满足需求。例如,如果电力需求下降,燃料将流动得更慢,燃料分子因此会更稀;他们需要更多的压缩,而我们的系统将提供适量的压缩。

以这种方式工作的系统的一个真实示例是将我们的发电机与 3.3 兆瓦的屋顶太阳能电池阵列配对。当阳光明媚时,我们的发电机会关闭,而当太阳落山或躲到云层后面时,我们的发电机会在几秒钟内自动打开,立即提供建筑物所需的电力。

在需要时提供所需的压缩,还可以释放使用具有广泛不同特性的燃料进行有效操作的能力。例如,氢气在很少的压缩下即可发生反应,但氨则需要大量压缩。线性发电机与燃料无关——它可以运行多种燃料,包括天然气、沼气、氢气、氨、 合成气,甚至酒精,而不会影响性能。

这就是 LEM。当我们努力保持真实机器中反应的固有效率时,该架构的其余部分就出现了,该机器具有最小的摩擦和传热等损失,同时可靠地运行数十亿个周期。

弄清楚发电机的设计

我们必须做出的最大选择之一是机器的整体布局。我们知道加压气体必须推动与电磁力直接相关的移动壁,但有多种方法可以实现这一点。在第一年左右的时间里,我们的创始人和其他七位工程师一起在白板上花了很多时间考虑我们的选择。最终,我们选择了对称布局,两个翻译器在一个中央圆柱体中相遇。我们的燃油-空气混合物在稍微加压的情况下通过一端的孔进入。当平移器离开该端时,这些孔未被覆盖,并且由于新鲜混合物的压力稍高,它流入气缸,将用过的材料从另一端的孔中推出。

这种选择用气缸壁上的一组简单的孔取代了传统的发动机气门机构(气门、阀座、导轨、密封件、弹簧、摇臂、凸轮轴、轴承、正时链和油润滑)。将两个转换器组合在一个气缸中的另一个优点是传热损失减少了近一半。

我们最后的主要设计选择是在发电机的两端添加一个气室。当平移器在循环的膨胀部分期间向外移动时,平移器的外端压缩外室中的普通空气,从而储存一部分反应能量。当压缩空气将平移器推回中心以开始下一个压缩循环时,存储的能量随后被恢复。这与通过压缩和释放机械弹簧来储存能量的想法相同。这样,LEM 就可以施加制动力并在两个方向上发电,从而使我们能够将其尺寸缩小一半。

我们还从我们的系统中释放少量的压缩空气来供给空气轴承。与油润滑轴承相比,空气轴承摩擦更低,密封更简单。它们的工作原理就像空气曲棍球游戏一样,其中一系列小孔形成加压空气膜,冰球漂浮在空气膜上。

原型机打开灯

2012 年,也就是我们第一轮 1000 万美元融资后大约一年半的时候,我们完成了第一个能够发电的原型机。它仅输出 1 kW。

在我们首次让它发挥作用几天后,我们的一位投资者告诉我们,他计划前往我们位于加利福尼亚州门洛帕克的总部看看它的运行情况。完成了大部分电气设计的工程师意识到,对于演示,我们需要一种方法来 查看它的供电情况,因此他跑到附近的一家五金店,买了几个卤素工作灯,并将它们直接插入电动总线。尽管仅仅比学校的科学项目(土豆为灯泡供电)更令人印象深刻,但它证明了我们的设计是有效的。

但输出距离我们的商业目标 200 kW 还很远,我们选择这个数字是因为它可以为典型的零售店提供足够的电力。

更大的版本绊倒了

我们的下一个里程碑出现在 2013 年底,当时我们制造了一台 50 千瓦的机器。而且……它根本不起作用。

对于大型电力设备来说,它的初期问题并不罕见。以相对较高的频率切换高压的线圈阵列会产生大量电噪声。在我们的设备中,它反馈到我们的位置传感器并导致 LEM 振动,产生我们称之为“嘎吱声”的声音。我们的电气和控制工程师能够解决并消除该问题。

但后来我们碰壁了——字面意思是:每当我们试图产生超过几千瓦的功率时,翻译器的侧面就会沿着气缸壁刮擦。

为了解释发生的情况,我需要描述线性发电机的另一个组件:平移器和气缸壁之间的密封件。该密封件的存在是为了防止加压气体逸出,同时仍允许平移器滑动。

通常,您会在两个部件之间使用一层液体油以避免摩擦。但请记住,我们通过气缸壁上的孔将新鲜空气和燃料添加到气缸中,如果我们在这种布置中使用液体润滑剂,则几乎不可能阻止其进入燃料混合物并在燃烧过程中燃烧。反应过程,产生有毒排放物。

因此我们决定开发一种无油密封系统。它在我们的 1 kW 设备中运行良好,因此我们将相同的设计扩展到 50 kW 型号。但是,尽管机器变得更大,但间隙要求在绝对意义上保持不变,因此在相对意义上更严格。这使得部件中的微小扭曲产生摩擦点,导致进一步的扭曲,最终导致失控的刮擦问题。

经过几个月的各种调整尝试,我们仍然无法在不刮擦的情况下运行超过 20% 左右的全功率。所以我们抛弃了旧的密封设计并重新开始。我们最终 发明了一种独特的碳密封环组件,该组件独立于转换器而浮动,并且可以在磨损时膨胀,从而保持其密封。

这解决了问题,几个月后我们就可以全功率运行数百小时。下一个大的扩展步骤——从 50 kW 到 100 kW——难度较小,并在我们的第一个官方原型中达到顶峰,我们将其安装在建筑物后面的停车场。

使线性发电机价格实惠

我们仍然需要让线性发电机价格实惠。该技术的优点是使用的零件比发动机或涡轮机少,并且不需要燃料电池昂贵的催化剂。但我们必须弄清楚封装设计、大批量制造工程以及我们决定由两台并排线性发电机组成的产品的供应链,总功率为 230 kW。一路上我们犯了一些错误

其中一项重大工作涉及我们努力降低将磁体阵列物理连接到转换器管外部的成本。在原型中,我们通过将树脂浸渍的凯夫拉纤维缠绕在胶合磁体的外侧,将磁体固定在管子上。在我们降低成本的第一次尝试中,我们改用浸渍布包裹,这样可以更快、更容易地进行,但在用这种方法建造了几个单元后,我们发现包裹下的磁铁松动了。因此,我们回到了缠绕凯夫拉纤维方法,并最终通过开发自动缠绕工艺降低了其成本。

线性代到达现实世界

最后,在 2020 年 6 月,在新冠疫情最严重的时候,工作人员将一辆平板卡车拉到我们的硅谷总部,装载了世界上第一台生产的线性发电机,并将其行驶 30 公里到达付费客户的所在地。网站——全国零售连锁店的一部分。几天后,我们打开开关,我们开始营业了!几个月后,我们将第二个单元交付给南加州的一家 Kroger商店,不久之后,又将两个单元运送到Lineage Logistics 的冷藏设施。

当我们创办公司时,我们优化了第一台天然气发电机,因为它当时应用最广泛、最便宜且相对清洁。尽管它确实会产生碳排放,但我们的系统的效率使其比它所取代的传统发电机更加环保。

我们将线性发电机视为零碳电网的基石,因为它具有独特的灵活性:它可以处理几乎任何规模的电力,从单个单元到并网阵列;它很容易被允许并安装在任何需要电力的地方;它几乎可以使用任何燃料。我们已经使用氢气和无水氨运行我们的库存装置之一。我们有一个在垃圾填埋场使用可再生沼气运行的客户项目。我们计划今年开始运营废水处理厂和乳制品废物消化池的其他沼气项目。我们正准备部署多达数十台发电机的阵列,用于大规模运营,例如电动卡车充电。我们现在正在设计兆瓦输出范围内的更大的公用事业规模版本。这些都将使用相同的核心技术,无需任何根本性的设计更改。

是的,爱德华兹教授,我们认为我们已经回答了您大约 20 年前提出的问题:“将化学键能转化为有用功的最有效、最实用的方法是什么?” 这是线性发电机。

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