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技术人员在一个线性发电机的核心框架上工作。
创意拍摄
黄色的
联合创始人主要动力能源(我也是其中之一)花了14年时间开发这项技术，并在2020年开始商业化推广。目前已在数十个地点安装，每个地点的发电量为230至460千瓦。我们预计明年将有更多地方的线性发电机投入使用。
它始于斯坦福大学
线性发电机的故事开始于近20年前斯坦福大学先进能源系统实验室当时，机械工程教授克里斯托弗·爱德华兹(Christopher Edwards)向我们这些博士生提出了一个简单的问题:“将化学键能转化为有用功的最有效、最实用的方法是什么?”
我们从燃料电池开始考虑，因为它们非常高效。但是燃料电池使用催化剂来触发释放能量的化学反应，而催化剂通常成本很高，随着时间的推移会降解，并且对负载的快速变化反应不佳。所以我们开始寻找替代方案。
我们知道我们可以通过压缩空气和燃料的混合物来触发能量的释放。这是如何工作的。
主弹簧发电机的核心是高效、清洁、无火焰的反应，几乎可以用任何燃料，包括如图所示的无碳氨。氨与空气中的氧气反应产生氮气和水，产生的力推着盒子的壁。主要动力
首先，燃料和空气进入一个端壁可移动的密闭腔室。接下来，这些端壁相互移动，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，释放出储存在化学键中的能量。这种能量导致新分子发生更快更频繁的碰撞，不仅与自身碰撞，还与腔壁碰撞，从而提高了腔内的压力。这一切都发生在没有火花或任何其他点火源的情况下。
在循环开始时，压力将墙壁向外推的力大于向内推的力。一旦这些壁到达初始位置，燃烧室内的压力恢复到初始状态，一批新的燃料和空气就会流入，将前一轮循环产生的分子推出燃烧室，重新开始整个过程。这就是理论。为了验证这一点，2008年，我们建造了一个装置，能够压缩100倍于初始值的体积，然后再次膨胀。我们使用了一根长2米、直径50毫米的金属管，一端是封闭的墙，金属塞作为移动的墙。这种结构的工作原理就像发动机中压缩气缸内气体的活塞，尽管两者的相似之处仅止于此——我们装置中的“活塞”没有连接到曲轴或任何东西上。我一会儿会讨论这种发动机结构对这种反应的限制，以及我们如何用一种新型机器解决它们。但这是一个很好的开始。
我们的第一个装置非常简单——一次只能“射击”一次，而且不发电;也就是说，我们没有收获产生的能量。但我们可以用它来测量反应的效率，这意味着在膨胀过程中，相对于使用了多少燃料，必须施加在移动墙壁上的额外推力。结果非常好，这个装置像燃料电池一样高效，正如我们所希望的那样。现在我们必须建造一个可以发电的版本，并以合理的成本运行多年。2010年，香农·米勒、亚当·辛普森和我成立了主泉能源公司，建立了一个真实世界的系统。科斯拉风险提供了我们最初的种子资金;到目前为止，我们已经从一系列投资者那里筹集了超过5亿美元，包括科斯拉，美国电力公司比尔·盖茨，还有NextEra Energy．
使用无焰压缩反应的发电机之前已经在研究实验室中建立，基于传统的燃烧发动机结构，但它们受到控制这种类型设备的反应的困难的限制。为了提高效率，混合物需要被压缩到足以启动反应的程度。如果在反应发生后继续压缩，它就会与反应产生的压力作斗争，浪费能量。如果压缩停止得太快，反应就不会发生。
这种最佳压缩因条件而异，首先是燃料的选择:例如，氢气的反应压缩比氨小。以部分功率输出而不是全功率运行，或者在热天运行而不是在冷天运行，也会改变最佳压缩。
当反应产生的额外压力推动活塞时，传统发动机就能获得能量，活塞又推动连杆旋转曲轴。曲轴的几何形状限制活塞始终遵循相同的运动，因此无论如何都具有相同的压缩量。这样的发动机不能适应所需压缩的变化，这使得它很难控制反应。
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，这样做就提供了必要的反应控制。这台机器最终看起来与传统发动机完全不同，而且几乎没有任何相同的部件。所以我们觉得需要一个新名字，我们称之为线性发生器。
线性发生器是如何工作的
想象一系列排成一行的五个圆柱形组件，被固定在一个盒子状的框架内。中心管为反应室;这是燃料和空气的去处。在它的两侧安装着一个线性电磁机器(LEM)，它可以直接将压力的推力转化为电能。发电机的每一端都有一个充满空气的圆柱形室，作为弹簧将登月舱的运动部分弹回中心。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:一台额定功率为115千瓦的机器大约5.5米长，大约1米高和宽。
从原理上讲，登月舱是一个电动机，它被展开成一条线，而不是一个圆。它由一个运动部分——平移器——和一个静止部分——定子组成。转换器是一根长而直的管子，在靠近中心的地方，装有一排钕永磁体。端板盖住每个转换管并密封到反应室的内表面。与发动机中的活塞一样，转换器的顶部端负责实际压缩，但在设计上有很大不同。定子由一系列铜线圈组成。当转换器在线圈内直线来回移动时，磁铁产生电流，为800伏直流母线供电。
在Mainspring的线性发电机中，两个平移器在位于两个外部空气弹簧之间的中心反应区内移动。一组固定的铜线圈围绕着每个转换器，形成一个线性电磁机器(LEM)。一个循环开始于将空气和燃料引入中心反应区。储存在空气中的能量来自前一个循环压缩混合物，直到发生无焰反应。这种反应驱动带有磁铁的转换器通过铜线圈，产生电能。这个运动的力也会压缩空气弹簧，为下一个循环做好准备。主要动力
它的工作原理很像再生制动。电动汽车的马达作为发电机反向工作，将汽车的运动转化为电能，为电池供电。在这里，登月舱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组功率开关晶体管调整线圈中的电流，使登月舱施加更多或更少的力。登月舱可以在大约1/10毫米的范围内到达理想的周转位置，然后在下一个循环中瞄准并到达不同的周转位置。系统会确定一个翻转位置，在这个位置，压缩水平会在冲程结束前触发反应，这是最有效的点。
这种自动和快速调整压缩的能力在两个方面是显著的。
首先，发电机在整个负载范围内保持最佳反应过程，从空闲一直到满功率，以满足需求。例如，如果电力需求下降，燃料流动就会变慢，燃料分子就会变得更稀;他们需要更多的压缩，而我们的系统会提供刚好的压缩量。
系统以这种方式工作的一个现实世界的例子是将我们的发电机与3.3兆瓦的屋顶太阳能阵列配对。当阳光明媚的时候，我们的发电机会关闭，当太阳下山或躲到云层后面时，我们的发电机会在几秒钟内自动启动，立即提供恰好满足建筑物所需的电力。
在需要的时候，提供所需的压缩，还可以释放使用性质截然不同的燃料高效运行的能力。例如，氢气的反应只需很小的压缩，而氨则需要很大的压缩。线性发电机是燃料不可知的-它可以运行广泛的燃料，包括天然气，沼气，氢气，氨，合成气，甚至酒精，而不影响表现。
那是登月舱。架构的其余部分是在我们努力保持真实机器中反应的固有效率的过程中产生的，这种机器在可靠运行数十亿个周期的同时，具有最小的摩擦和传热损失。
找出发电机的设计
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连的移动墙壁，但有几种方法可以做到这一点。在第一年左右的时间里，我们的创始人和其他7名工程师在白板上花了很多时间考虑我们的选择。最终，我们选择了一个对称的布局，两个翻译器在一个中心圆柱体中会面。我们的燃料-空气混合物经过轻微加压，从一端的小孔进入。当翻译器离开这一端时，这些孔被揭开，由于新鲜混合物的压力略高，它流入圆筒，将使用过的材料从另一端的孔中推出。
这一选择取代了传统的发动机气门系统——气门、阀座、导轨、密封件、弹簧、摇臂、凸轮轴、轴承、正时链和润滑油润滑——在汽缸壁上只需一组简单的孔。将两个转化器组合在一个气缸中的另一个优点是将传热损失减少近一半。
在生产车间
在Mainspring能源公司位于加州门洛帕克的工厂里，一名技术人员正在将压缩空气从空气弹簧输送到发电机轴承上
创意拍摄
定子被放置在准备装配的位置上
主要动力
一名技术人员正在准备将铜线绕成线圈
主要动力
一个龙门架将一个完成的核心移动到生产车间进行最终组装
主要动力
我们最后一个主要的设计选择是在发电机的两端增加一个空气室。当转化器在循环的膨胀部分向外移动时，转化器的外端压缩外腔中的普通空气，从而存储小部分的反应能量。当压缩空气将转化器推回中心，开始下一个压缩循环时，储存的能量就会被回收。这与通过压缩和释放机械弹簧来储存能量是一样的。通过这种方式，lem可以在两个方向上施加制动力并产生动力，使我们可以将它们的尺寸缩小一半。
我们也让少量的这种加压空气出我们的系统，以供应空气轴承。与油润滑轴承相比，空气轴承具有更低的摩擦和更简单的密封。它们的工作原理就像空气曲棍球比赛一样，一组小孔形成一层加压的空气膜，冰球就漂浮在上面。
一个原型打开了灯
2012年，在我们获得第一轮1000万美元融资大约一年半之后，我们完成了第一个发电的原型机。它只输出1千瓦。
在我们让它第一次运行的几天后，我们的一位投资者告诉我们，他计划去我们位于加州门洛帕克的总部看看它的运行情况。负责大部分电气设计的工程师意识到，为了演示，我们需要一种方法看到它正在发电，所以他跑到附近的一家五金店，买了两盏卤素工作灯，直接把它们插到电气总线上。虽然这并不比学校的科学项目更令人印象深刻，但它证明了我们的设计是有效的。
但输出功率与我们的商业目标200千瓦相差甚远，我们之所以选择这个数字，是因为它足以为一个典型的零售店提供足够的电力。
一个更大的版本却步履蹒跚
我们的下一个里程碑是在2013年底，当时我们制造了一台50千瓦的机器。但是，它根本不管用。
它在大型动力设备上有一个不常见的初期问题。一组线圈以相对较高的频率开关高压时会产生大量的电噪声。在我们的设备中，它反馈给我们的位置传感器，导致登月舱震动，产生一种我们称之为“嘎吱声”的声音。我们的电气和控制工程师能够解决这个问题并消除它。
但后来我们遇到了一个问题——字面上说:每当我们试图产生超过几千瓦的功率时，翻译器的一侧就会沿着圆筒壁刮擦。
Mainspring专利密封设计中的重叠部分使戒指即使在磨损时也能保持效率。该设备不需要添加润滑剂。主要动力
为了解释发生了什么，我需要描述线性发生器的另一个组件:转换器和汽缸壁之间的密封。这种密封的存在是为了防止压缩气体逸出，同时仍然允许翻译器滑动。
通常情况下，你会在两部分之间涂上一层液体油来避免摩擦。但请记住，我们是通过气缸壁上的孔向气缸中加入新鲜空气和燃料，如果我们在这种安排中使用液体润滑剂，几乎不可能阻止它进入燃料混合物并在反应过程中燃烧，产生有毒气体。
所以我们决定开发一种无油密封系统。它在我们的1kw设备上运行良好，所以我们将相同的设计扩展到50kw的模型上。但是，尽管机器变大了，但绝对意义上的间隙要求保持不变，因此在相对意义上更严格。这使得组件中的微小扭曲产生了摩擦点，从而导致进一步的扭曲，最终导致失控的刮擦问题。
在尝试了几个月的各种调整后，我们仍然无法在不刮风的情况下运行超过20%的全功率。所以我们抛弃了旧的密封设计，重新开始。我们最终发明了一种独特的碳密封圈组件，它可以独立于翻译器漂浮，在磨损时可以膨胀，从而保持密封性。
这解决了问题，几个月后，我们就能满负荷运行数百小时。下一个大的扩展步骤——从50千瓦到100千瓦——难度较小，并在我们的第一个正式原型中达到高潮，我们将其安装在我们大楼后面的停车场。
使线性发电机负担得起
我们还需要使线性发电机价格合理。这项技术的优点是使用的部件比发动机或涡轮机少，而且不像燃料电池那样使用昂贵的催化剂。但我们必须弄清楚包装设计，大批量生产的工程，以及产品的供应链，我们决定由两台并排的线性发电机组成，总功率为230千瓦。一路上我们犯了一些错误。
其中一个很大的问题是，我们努力降低将磁铁阵列物理连接到转换管外部的成本。在原型中，我们通过将树脂浸渍的凯夫拉纤维缠绕在粘在磁铁上的外部，将磁铁固定在管子上。在我们第一次尝试降低成本时，我们改用了浸渍布包裹，这种包裹更快更容易，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会松动。所以我们回到了凯夫拉纤维缠绕的方法，并最终通过开发自动化缠绕工艺降低了成本。
Mainspring Energy的第一款商业产品包含两个线性发电机核心。这个装置安装在北加州的一家商店外，可以产生高达230千瓦的电力。主要动力
线性生成达到了现实世界
最终，在2020年6月，在新冠肺炎疫情最严重的时候，一名工作人员将一辆平板卡车开到我们的硅谷总部，装载上世界上第一台线性发电机，并将其开到30公里外的一个付费客户的现场——这是一家全国零售连锁店的一部分。几天后，我们按下开关，就开始营业了!几个月后，我们向一家公司交付了第二套产品克罗格在南加州的一家商店，不久之后，一对机器被送到了一家血统物流冷藏设施。
当我们成立公司时，我们优化了第一个天然气发电机，因为它是最广泛使用的，最便宜的，而且相对清洁。尽管它确实会产生碳排放，但我们系统的效率使它比它所取代的传统发电机更环保。
我们将线性发电机视为零碳电网的基石，因为它独特的灵活性:它几乎可以处理任何规模的电力，从单个机组到并网阵列;它很容易被允许安装在任何需要电力的地方;它几乎可以使用任何燃料。我们已经运行了一个氢和无水氨的库存单位。我们有一个客户项目在垃圾填埋场运行可再生沼气。我们计划在今年开始在污水处理厂和乳制品废物消化池运行其他沼气项目。我们正准备部署多达数十个发电机阵列，用于大规模操作，比如电动卡车充电。我们现在正在设计更大的，在兆瓦输出范围内的公用事业规模的版本。这些都将使用相同的核心技术，没有任何根本性的设计变化。
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?”这是线性发生器。
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