摘要：现在是 2030 年 1 月，您的电热泵正在为房屋供暖，而您的电动汽车在车库里充电，所有这些都由屋顶上的太阳能电池板以及当地公用事业公司的风能和太阳能发电机供电。已经下了两周雨也没关系，因为您的公用事业公司正在利用去年夏天阳光产生的氨。它在线性发电机中消耗氨。

马特·斯夫切克

技术人员在线性发电机铁芯的框架上工作。

创意镜头

现在是 2030 年 1 月，您的电热泵正在为房屋供暖，而您的电动汽车在车库里充电，所有这些都由屋顶上的太阳能电池板以及当地公用事业公司的风能和太阳能发电机供电。已经下了两周雨也没关系，因为您的公用事业公司正在利用去年夏天阳光产生的氨。它在线性发电机中消耗氨。

线性发电机可以在不同类型的绿色（如果需要，还可以不那么绿色）燃料之间快速切换，包括沼气、氨和氢气。它有可能使脱碳电力系统可用、可靠且能够抵御变幻莫测的天气和燃料供应。这不是幻想;它已经过开发、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 年开始将其商业化推出。目前，它安装在数十个地点，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点的线性发电机投入使用。

线性发电机的故事始于近二十年前的斯坦福大学先进能源系统实验室，当时机械工程教授克里斯托弗·爱德华兹 （Christopher Edwards） 问了我们一些博士生一个简单的问题：“将化学键能转化为有用功的最有效、最实用的方法是什么？

我们首先考虑了燃料电池，因为它们的效率非常高。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，会随着时间的推移而降解，并且对负载的快速变化反应不佳。因此，我们开始寻找替代方案。

我们知道，我们可以通过简单地压缩空气和燃料的混合物来触发能量的释放。这是如何运作的。

高效、清洁、 无焰反应 位于 主发条发电机 与近 任何燃料，包括 无碳氨 如此处所示。这 氨与 空气中的氧气到 产生氮气 和水，以及 产生的力推 靠着 盒子。主发条

首先，燃料和空气进入一个带有可移动端壁的封闭腔室。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更快、更频繁地碰撞，不仅与自身发生碰撞，还与腔室壁发生碰撞，从而提高腔室中的压力。这一切都在没有火花或任何其他点火源的情况下发生。

压力将壁向外推，其力大于在循环开始时将它们向内推所需的力。一旦这些壁达到初始位置，并且腔室内的压力恢复到初始状态，新一批燃料和空气流入，将前一个循环产生的分子推出腔室并重新启动该过程。这就是理论。为了测试它，我们在 2008 年构建了一个设备，它能够压缩 100 倍于起始值的体积，然后再次膨胀回来。我们使用了一根长 2 米、直径 50 毫米的金属管，一端是封闭的壁，金属块作为移动壁。这种布置的工作原理就像一个活塞，在发动机的气缸内压缩气体，尽管这就是相似之处——我们设备中的“活塞”没有连接到曲轴上，也没有连接到任何东西上。我稍后将讨论这种类型的引擎架构对此类反应的局限性，以及我们如何使用新型机器来解决这些限制。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“射击”，而且不发电;也就是说，我们没有收获产生的能量。但是我们可以用它来测量反应的效率，这意味着在膨胀过程中，相对于使用的燃料量，必须施加到移动壁上的额外推力。结果非常好，正如我们所希望的那样，该设备作为燃料电池非常高效。现在，我们必须构建一个可以发电并以合理成本运行多年的版本。2010 年，Shannon Miller、Adam Simpson 和我合并了 Mainspring Energy 来构建一个真实世界的系统。Khosla Ventures 为我们提供了初始种子资金;迄今为止，我们已经从包括 Khosla、American Electric Power、Bill Gates 和 NextEra Energy 在内的众多投资者那里筹集了超过 5 亿美元。

使用无焰压缩反应的发生器以前在研究实验室中基于传统的内燃机架构建造，但它们受到此类设备中难以控制反应的限制。为了提高效率，需要将混合物压缩到足以引发反应的程度。如果在反应发生后继续压缩，它会抵抗反应产生的压力，浪费能量。如果压迫过早停止，反应永远不会发生。

这种最佳压缩效果因条件而异，首先是燃料的选择：例如，氢气的反应压缩率低于氨。以部分功率输出而不是全功率运行，或者在炎热的天气运行而不是在寒冷的天气中运行，也会改变最佳压缩。

当反应产生的额外压力推动活塞时，传统发动机会收集能量，活塞推动连杆旋转曲轴。曲轴的几何形状约束活塞始终遵循相同的运动，因此无论如何都保持相同的压缩量。这样的发动机无法适应所需压缩的变化，这使得难以控制反应。

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，并且几乎没有共同的部件。所以我们觉得需要一个新名称，我们把它叫做线性生成器。

想象一下一系列五个圆柱形组件排成一条线，固定在一个盒子状框架内。中心管是反应室;它是燃料和空气的去向。它的两侧是一个线性电磁机 （LEM），可将压力的推力直接转化为电能。发生器的每一端都有一个充满空气的圆柱形腔室，它充当弹簧，将 LEM 的运动部分弹回中心。整个布置（两个空气弹簧、两个 LEMS 和一个反应室）形成一个线性发电机铁芯。它又长又细：一台额定功率为 115 kW 的机器长约 5.5 米，高宽约 1 米。

原则上，LEM 是一种展开以形成线而不是圆的电动机。它由一个移动部分 - 转换器 - 和一个固定部分 - 定子组成。转换器是一根长而直的管子，其周边靠近中心，连接着一系列钕永磁体。端板盖住每个翻译管并密封到反应室的内表面。转换器的加盖端进行实际压缩，就像发动机中的活塞一样，但它在设计上大不相同。定子是一系列铜线圈。当转换器在线圈内沿直线来回移动时，磁铁会产生电流，为 800 伏直流母线供电。

在 Mainspring 的线性发生器中，两个平移器在位于两个外部空气之间的中心反应区内移动 弹簧。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 （LEM）。 一个循环从将空气和燃料引入中心反应区开始。储存在空气弹簧中的能量 从前一个循环开始压缩混合物，直到发生无焰反应。反应驱使翻译者， 磁铁连接到上面，通过铜线圈返回，产生电力。这个动作的力也 压缩空气弹簧，为下一个循环做好准备。主发条

它的工作原理很像再生制动。电动汽车的电机反向作用，就像发电机一样，将汽车的运动转化为电能，为电池供电。在这里，LEM 将翻译机的动能转化为电能。

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过线圈的电流，使 LEM 施加或多或少的力。LEM 可以在大约 1/10 毫米的范围内击中所需的周转位置，然后在下一个循环中瞄准并击中不同的周转位置。系统确定一个转折位置，在该位置，压缩水平会在行程结束前触发反应，这是最有效的点。

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保持最佳反应过程，从怠速一直到全功率，以便满足需求。例如，如果电力需求下降，燃料的流动速度会更慢，因此燃料分子会更稀释一些;他们需要更多的压缩，我们的系统将提供恰到好处的压缩量。

该系统以这种方式工作的一个真实示例是将我们的发电机与 3.3 MW 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，当太阳下山或遮住云层时，我们的发电机会在几秒钟内自动启动，立即提供建筑物所需的电力。

在需要时提供所需的压缩，还可以解锁使用具有广泛不同特性的燃料高效运行的能力。例如，氢气的反应压缩很小，但氨需要很多。线性发电机与燃料无关，它可以运行各种燃料，包括天然气、沼气、氢气、氨、合成气，甚至醇类，而不会影响性能。

那就是 LEM。架构的其余部分是在我们努力在真实机器中保持反应的固有效率时产生的，该机器在可靠运行数十亿次循环的同时，摩擦和传热等损失最小。

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壁，但有几种方法可以实现这一点。在第一年左右的时间里，我们创始人和其他七名工程师一起，花了很多时间在白板前考虑我们的选择。最终，我们选择了对称布局，两名翻译人员在一个中央圆柱体中相遇。我们的燃料-空气混合物，略微加压，从一端的孔进入。当转换器从该端移开时，这些孔被揭开，并且由于新鲜混合物的压力略高，它会流入圆筒，将用过的材料推出另一端的孔中。

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、导向装置、密封件、弹簧、摇杆、凸轮轴、轴承、正时链条和油润滑。将两个转换器组合在一个气缸中的另一个优点是将传热损失减少近一半。

Mainspring Energy 位于加利福尼亚州门洛帕克的一家工厂的一名技术人员将压缩空气从空气弹簧输送到发电机的轴承

CREATIVE SHOT

定子被放置在准备组装

MAINSPRING

技术人员准备要缠绕成线圈的铜线

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龙门架将完成的型芯穿过制造车间进行最终组装

MAINSPRING

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气室。当平移器在循环的膨胀部分向外移动时，平移器的外端压缩外腔中的普通空气，从而储存一小部分反应能。之后，当压缩空气将翻译机推回中心以开始下一个压缩循环时，这些储存的能量被回收。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 可以施加制动力并在两个方向上产生动力，从而使我们能够将它们的尺寸减小一半。

我们还将少量加压空气从我们的系统中排出，为空气轴承供气。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件。它们的工作原理就像空气曲棍球比赛一样，其中一系列小孔形成一层加压气膜，冰球漂浮在气膜上。

2012 年，在我们第一轮 1000 万美元融资大约一年半后，我们完成了第一个发电原型。它只输出了 1 kW。

在我们第一次让它投入使用的几天后，我们的一位投资者告诉我们，他打算去我们位于加利福尼亚州门洛帕克的总部看看它的运行。完成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它正在发电，因此他跑到附近的五金店，买了几盏卤素工作灯，并将它们直接插入电气总线。虽然比土豆为灯泡供电的学校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。

但输出与我们的商业目标 200 kW 相去甚远，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。

我们的下一个里程碑是在 2013 年底，当时我们制造了一台 50 kW 的机器。和。。。它根本不起作用。

它有一个初期问题，在大型电力设备中并不少见。以相对较高的频率切换高压的线圈阵列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，并导致 LEM 振动，产生一种我们称之为“嘎吱嘎吱”的声音。我们的电气和控制工程师能够解决并消除它。

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

Mainspring 专利密封设计中的重叠部分使环即使在磨损时也能保持其效率。该设备不需要添加润滑剂。主发条

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：转换器和气缸壁之间的密封。这种密封的存在是为了防止加压气体逸出，同时仍然允许翻译器滑动。

通常，您会在两个部分之间使用一层液态油以避免摩擦。但请记住，我们是通过气缸壁上的孔将新鲜空气和燃料添加到气缸中，如果我们以这种方式使用液体润滑剂，几乎不可能防止它进入燃料混合物并在反应过程中燃烧，从而产生有害排放物。

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，因此相对意义上更严格。这允许组件中的微小变形产生摩擦点，从而导致进一步的变形，最终导致失控的刮擦问题。

经过几个月的尝试，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。因此，我们扔掉了旧的密封设计，重新开始。我们最终发明了一种独特的碳密封环组件，它独立于转换器浮动，它可以随着磨损而膨胀，从而保持其密封。

这解决了问题，在接下来的几个月内，我们以全功率运行了数百小时。下一个重大的扩展步骤——从 50 kW 到 100 kW——难度较小，最终形成了我们的第一个正式原型，我们将其安装在大楼后面的停车场。

我们仍然需要使线性发电机负担得起。该技术的优势在于使用的部件比发动机或涡轮机少，并且缺乏昂贵的燃料电池催化剂。但是，我们必须弄清楚包装设计、大批量制造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 kW。我们在此过程中犯了一些错误。

其中一项重大任务涉及我们努力降低将磁体阵列物理连接到翻译管外部的成本。在原型中，我们通过将树脂浸渍的 Kevlar 纤维缠绕在胶合磁铁的外部，将磁铁固定在管子上。在我们第一次尝试降低成本时，我们改用了更快速、更容易的浸渍布包装，但在用这种方法构建了几个单元后，我们发现磁铁在包装下松动了。因此，我们回到了 wound-Kevlar 方法，并最终通过开发自动卷绕工艺降低了其成本。

Mainspring Energy 的第一个商业产品包含两个线性发电机铁芯。该装置安装在北加州的一家商店外，可产生高达 230 千瓦的电力。主发条

最后，在 2020 年 6 月，在新冠疫情最严重的时候，一个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线性发电机，并将其开到 30 公里外的付费客户现场——一家全国零售连锁店的一部分。几天后，我们打开了开关，我们开始做生意了！几个月后，我们将第二台设备运送到南加州的一家 Kroger 商店，不久之后，两台设备被送到 Lineage Logistics 的冷藏设施。

当我们成立公司时，我们优化了第一台天然气发电机，因为它当时最广泛可用、成本最低且相对清洁。尽管它确实会产生碳排放，但我们系统的效率使其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，因为它具有独特的灵活性：它几乎可以处理任何规模的电力，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源的地方;它几乎使用任何燃料。我们已经使用氢气和无水氨运行了我们的一个库存装置。我们有一个客户项目，在垃圾填埋场使用可再生沼气。我们计划今年开始在废水处理厂和乳品废弃物消化池运营其他沼气项目。我们正在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。我们现在正在设计更大的、具有兆瓦级输出的公用事业规模版本。这些都将使用相同的核心技术，无需任何激进的设计更改。

是的，Edwards 教授，我们认为我们已经回答了您大约 20 年前提出的那个问题：“将化学键能转化为有用功的最有效和最实用的方法是什么？它是线性生成器。

来源：陈讲运清洁能源