技术人员工作框架的一个线性发电机的核心。
这是2030年1月,你的电动热泵变暖房子当你的电动汽车在车库里指控,所有在你的屋顶太阳能电池板供电的和由风能和太阳能发电机在当地的效用。没关系,雨一直下了两周,因为您的实用程序是利用氨生产去年夏天的阳光。消费,氨在一个线性发电机。
线性发电机可以很快之间切换不同类型的绿色(如果需要)和not-so-green,燃料,包括沼气、氨、氢。它有可能使脱碳电力系统可用的,可靠的,和弹性对变幻莫测的天气和燃料供应。这并不是一个幻想;商业开发,测试和部署。
的合伙人主要动力能源,我是其中一个,花了14年开发这项技术,在2020年我们开始商业滚出来。目前安装的地点,每生产230到460千瓦。我们希望在更多的地方线性发电机在明年投产。
它开始在斯坦福大学
线性发电机的故事开始近二十年前斯坦福大学的先进能源系统实验室,当机械工程教授克里斯托弗·爱德华兹问我们中的一些博士生一个简单的问题:“什么是最有效和实用的方式将化学键的能量转化为有用的工作?”
我们开始通过考虑燃料电池,因为它们可以非常有效。但燃料电池使用催化剂来触发释放能量的化学反应,和催化剂通常花费很多,降低随着时间的推移,在负载快速变化和响应不佳。所以我们开始寻找一个替代。
我们知道我们可能引发释放的能量通过压缩空气和燃料的混合物。这是这是如何工作的。
高效,清洁,无焰反应的核心主要动力发生器适用于几乎任何燃料,包括无碳氨如下所示。氨与空气中氧气反应生成氮气和水,以及由此产生的力量推箱子的城墙。主要动力
首先,燃料和空气进入一个封闭室与可移动墙结束。接下来,那些墙壁走向彼此,压缩空气和燃料的混合物。当这发生时,混合物中的分子碰撞速度越来越快,直到他们最后分开,重新改编成不同的分子,释放的能量存储在他们的化学键。能量使新分子碰撞更快和更频繁,不仅对自己,还与室的墙壁,提高压力室。这一切没有发生火花或任何其他点火来源。
墙外推的压力比需要更多的力量把他们内心在周期的开始。一旦这些墙壁达到他们的初始位置,腔内的压力恢复为初始状态,一批新的燃料和空气流动,推动分子由前一周期的室和启动过程。理论上是这样的。对其进行测试,在2008年我们构造了一个装置能够通过体积压缩的起始值的100倍,然后再扩张。我们使用金属管两米长,直径50毫米,一端封闭的墙和合金弹头的墙移动。这种安排工作像活塞压缩气体在汽缸引擎,虽然这就是相似性时“活塞”在我们的设备没有连接到曲轴,或任何东西。一会儿我将讨论这种类型的引擎架构的局限性对这种反应,以及如何解决它们与一种新型的机器。但这是一个很好的起点。
我们的第一个设备很简单一次只能运行一个“镜头”,它没有产生电能;也就是说,我们没有收获能量。但是我们可以用它来测量反应的效率,这意味着额外的推动,必须应用到移动墙在扩张相对于多少燃料使用。结果是优秀的,设备是高效的燃料电池,正如我们所希望的。现在我们不得不建立一个版本可以发电和运行多年来在一个合理的成本。2010年,香农·米勒,我和亚当•辛普森注册的主要动力能源建立一个真实的系统。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筹集了超过5亿美元的投资者,包括科斯拉,美国电力公司,比尔•盖茨(Bill Gates)和NextEra Energy。
发电机使用无焰压缩反应在研究实验室建成之前,基于传统的内燃架构,但他们的困难限制控制反应这种类型的设备。混合高效,需要压缩足够的启动反应。如果压缩持续反应发生后,对抗压力反应生成的,浪费能源。如果压缩停止过早,则不会发生反应。
这种最优压缩随条件,从燃料的选择:氢,例如,与压缩比氨反应。运行在部分功率输出而不是全功率或运行在一个炎热的一天和感冒,也改变最优压缩。
传统发动机收成能源时,反应产生的额外的压力推动活塞,它把一个连杆曲轴旋转。曲轴的几何约束活塞总是遵循相同的运动,因此相同数量的压缩,无论它是什么。这样一个引擎不能适应变化所需的压缩,这很难控制的反应。
而不是模仿一个引擎,我们设计了一个新机器,直接关系压缩和扩张运动发电,并在这一过程中提供了必要的反应控制。这台机器最终看起来完全不同,而且几乎没有共同之处——传统引擎部分。所以我们觉得需要一个新的名字,我们称之为线性发电机。
线性发电机是如何运作的吗
一系列的照片五柱组件排列成一条线,一个像箱子一样的框架内进行。中央管反应室;燃料和空气在哪里。它位于一个线性电磁机的两侧(LEM)将推动直接从压力转换成电力。两端的发电机是一种充气圆柱腔,充当一个春天反弹的移动部分LEM回中心。整个arrangement-two空气弹簧,两个问题,一个反应chamber-forms线性发电机的核心。又长又瘦:机器额定在115千瓦长约5.5米,宽约1米高,。
登月舱,原则上,一个电动马达已经展开,形成一条线而不是一个圆。它由一个移动的一部分—翻译和静止的一部分—定子。翻译是一个长期,直管与数组的钕周长永久磁铁,在中心附近。一个端板帽每个翻译管和海豹的内表面反应室。的限制结束翻译的实际压缩,活塞在一个引擎,但它是完全不同的设计。定子是一系列的铜线圈。随着翻译前后直线在线圈内部,磁铁产生电流为800伏直流总线。
在主要的线性发电机,两个译者之间移动中心反应区内位于两个外空气弹簧。一组固定的铜线圈周围每一个译者,形成一个线性电磁机(LEM)。一个周期开始引入的空气和燃料中心反应区。能源存储在空气弹簧从先前的循环压缩混合,直到无焰反应发生。的反应推动翻译,磁铁相连,通过铜线圈,发电。这个运动的力量也压缩空气弹簧,准备系统为下一个循环。主要动力
它的工作原理就像再生制动。反过来说,电动汽车的电动机行为作为发电机,把汽车的动能转化为电能,给电池充电。这里,LEM将翻译的动能转化为电能。
我们控制计算机立即调整的流动电流通过线圈通过数组登月舱功率切换晶体管的应用或多或少的力量。登月舱可以达到所需的周转位置约为毫米之内,然后目标和达到不同的转变立场下一个周期。的系统确定转变立场的压缩级别触发的反应只是在年底前中风,最有效的点。
这种能力自动和快速调整压缩在两个方面值得关注。
首先,发电机保持最优反应过程在整个负载范围内,从闲置满功率,为了遵循需求。例如,如果电力需求下降,燃料的流动将更加缓慢和燃料分子会因此更稀释;他们需要更多的压缩,我们的系统将提供适量。
这样一个真实世界的例子系统的工作对我们与一个3.3兆瓦的屋顶太阳能阵列的发电机。当阳光灿烂,我们的发电机关闭,当太阳下山或云后面,我们的发电机在几秒内自动打开,立即提供尽可能多的电力建设要求。
提供所需的压缩,需要的时候,也解锁操作的能力有效地使用燃料,广泛不同的属性。例如,氢反应没有压缩,但氨需要很多。线性发电机燃料agnostic-it可以运行多种燃料,包括天然气、沼气、氢气、氨、合成气,甚至醇在不影响性能。
这是登月舱。其余部分的架构是我们努力保持固有的反应在实际机器的效率损失是最小的摩擦和传热,同时为数十亿的周期运行可靠。
找出发生器的设计
我们不得不做出最大的一个选择是机器的整体布局。我们知道加压气体必须推动移动墙电磁力直接连接,但也有几种方法可以实现这个目标。第一年我们的创始人,与其他七个工程师一起,花了很多时间在白板上考虑我们的选择。最终,我们选择了一个对称的布局在一个有两个翻译会议,中心柱。我们的燃料空气混合物,稍微加压,通过孔一端进入。当译者摆脱这一目的,这些漏洞被发现,因为新鲜的混合物在较高压力,它流入气缸,推动使用材料孔的另一端。
这个选择代替了传统的发动机气门train-valves,座椅、指南、海豹、弹簧、摇滚、凸轮轴、轴承、正时链,和石油lubrication-with气缸壁的一组简单的漏洞。结合两个译者在单缸的另一个优点是减少传热损失了近一半。
生产楼
技术员的主要动力能源的设施在门洛帕克,加利福尼亚州,路线压缩空气从空气弹簧发电机的轴承
创意拍摄
定子是定位为大会做准备
主要动力
技术人员准备铜线绕到线圈
主要动力
龙门式移动完成核心在总装制造地板
主要动力
我们的最后一个主要设计选择是添加一个气室两端的发电机。随着译者向外的扩张部分周期期间,外的翻译普通压缩空气外室,因此存储反应能量的一小部分。这个存储能量恢复之后,当压缩空气推动翻译回中心开始下一个压缩周期。原理是一样的压缩和释放储存能量的机械弹簧。这种方式,氨基酸可以应用他们的刹车力量和发电在两个方向,让我们削减了一半大小。
我们也让少量压缩空气输送空气轴承的系统。相比之下的润滑轴承、空气轴承低摩擦和简单的海豹。他们的工作就像一个空气曲棍球比赛,小洞数组创建一个加压的空气薄膜的冰球。
一个原型打开灯
在2012年,大约一年半我们最初一轮1000万美元后,我们完成了第一个原型生成的权力。它只把1千瓦。
几天后我们已经为第一次工作,我们其中一个投资者让我们知道,他计划下降我们的门洛帕克,加利福尼亚州,总部看到它运行。电气设计工程师做了大多数的意识到,对于一个演示,我们需要一种方法来看到它使权力,所以他跑到附近的五金店,买了两个卤素灯工作,直接插到电源总线。虽然几乎比学校更令人印象深刻的科学项目的土豆一个灯泡,它证明了我们的设计工作。
但是输出是很长的路从我们的商业目标,200千瓦,我们选择了,因为它将为一个典型的零售商店提供足够的电力。
一个更大的版本错误
我们的下一个里程碑是在2013年末,当时我们构建了一个50 kw机器。和…它没有工作。
它有一个大电力设备的初期问题并不少见。一组线圈切换高压以相对较高的频率产生很多电噪音。在我们的设备,它反馈给我们的位置传感器和登月舱引起震动,创建一个我们叫做“脆脆的声音。“我们的电气和控制工程师能够解决这一问题,并消除它。
但是我们触及wall-literally:译者的一面会沿气缸壁刮每当我们试图产生超过几千瓦。
主要动力的重叠部分专利密封设计允许环,以维持其工作效率即使它穿。该设备不需要添加润滑剂。主要动力
解释发生了什么,我需要描述一个组件的线性发电机:翻译和缸壁之间的密封。这个密封存在保持加压气体泄漏,同时仍然允许译者幻灯片。
通常,您将使用一层之间的液体油两部分,以避免摩擦。但请记住,我们添加新鲜空气和燃料进入气缸通过气缸壁的孔洞,如果我们使用液体润滑剂在这个协议中,几乎不可能让它进入燃料混合和燃烧反应过程中,创建有害排放。
所以我们决定开发一个无油密封系统。1 kw设备它工作得很好,所以我们为50 kw模型相同的设计。虽然机器越来越大,间隙要求保持不变在绝对意义上,因此是相对意义上的紧缩。允许微小扭曲的组件创建点摩擦,导致进一步的扭曲,以一个刮失控的问题。
经过几个月的尝试不同的调整,我们仍然不能运行之外没有刮满功率的20%左右。所以我们把旧的密封设计和重新开始。我们最终创造一个独特的碳密封环装配独立浮动的翻译,可以扩大磨损,从而维护其密封。
这个固定的问题,在几个月我们在全功率运行数百个小时。下一个大比例从少50 kW到100 kW-was困难,最终在我们的第一次正式的原型,我们安装在我们那栋楼后面的停车场。
使线性发电机负担得起的
我们仍然需要使线性发电机负担得起的。技术使用更少的优势部分比引擎或涡轮机和缺乏燃料电池的昂贵的催化剂。但我们必须找出包装设计,工程大批量制造和供应链的产品我们决定将包括两个并排线性发电机总功率230千瓦。我们犯了一些错误。
涉及一个大我们努力减少身体上的成本附加磁铁数组来翻译管的外面。原型,我们获得了磁铁对绕组树脂浸渍管的凯夫拉尔纤维胶合板-磁铁的外面。在我们第一次尝试降低成本我们转向一个浸渍布包装,更快更容易,但与这种方法建立两个单位后我们发现磁铁是松散的包装。所以我们回到wound-Kevlar方法,并最终降低成本通过开发一个自动化的曲折过程。
主要动力能源的第一个商业产品包含两个线性发电机核心。本单元,安装外部存储在加州北部,能产生230千瓦的电力。主要动力
线性代达到真实的世界
最后,2020年6月,厚的COVID大流行,船员平板卡车拉到我们的硅谷总部,加载了世界一流的生产线性发电机,并开车30公里的付费客户site-part国家零售连锁店。几天后我们翻转开关,和我们的业务!几个月后我们交付第二单位克罗格存储在南加州和后不久,一对单位去了血统物流冷藏设施。
当我们开始的公司,我们优化第一天然气发电机,因为它是最广泛使用,最便宜,相对干净。尽管它产生的碳排放,我们的系统的效率比传统的发电机,使它更环保。
我们看到我们的线性网格生成器的基石零碳由于其独特的灵活性:它可以处理几乎任何规模的力量,从单一的单位发电阵列;很容易被允许和需要安装任何权力;它运行在几乎任何燃料。我们运行一个股票氢和无水氨。我们有一个客户项目运行在可再生垃圾填埋场沼气。我们计划开始操作其他沼气项目污水处理厂和奶制品浪费今年消化器。我们正在准备部署多达几十个发电机大规模数组操作,像电动卡车收费。和我们现在设计更大,可使用的版本在兆瓦输出范围。这些都将使用相同的核心技术,没有任何激进的设计更改。
是的,爱德华兹教授,我们认为我们有你发布一些20年前就回答了这个问题:“什么是最有效和实用的方式将化学键的能量转化为有用的工作吗?“这是线性发电机。