Mainspring的线性发电机几乎可使用任何燃料

假设在2030年1月的某天，电热泵正在为你的屋子供暖，你的电动汽车在车库里充电，所有电能都来自屋顶上的太阳能电池板，以及本地供电部门的风力发电机和太阳能发电机。雨已经下了两个星期，但没关系，因为本地的供电部门正在接入去年夏天由阳光产生的氨。线性发电机可用氨做燃料发电。

线性发电机可快速切换不同类型的绿色燃料（如有需要，燃料也可以不那么绿色），包括沼气、氨和水力等。它有潜力使脱碳电力系统可用、可靠，同时能够适应天气和燃料供应的变化。这并非天方夜谭，目前线性发电机已经完成开发、测试和商用部署。

Mainspring Energy的联合创始人（我也是其中之一）花费了14年时间开发此项技术，2020年开始商用推广。目前该技术已在数十个地点部署，每个点的装机容量为230至460千瓦。我们预计2024年线性发电机将在更多地点投入使用。

线性发电机是Mainspring Energy公司位于美国加州门洛帕克市的工厂制造的。左上图起顺时针方向依次为: 技术人员在操作线性发电机机芯的框架;术人员将压缩空气从空气弹簧输送到发电机轴承;制造车间用龙门架移动完整的核心部件进行最终组装技术人员准备将铜线缠绕成线圈;定子就位，准备组装。

线性发电机的故事始于近20年前的斯坦福大学先进能源系统实验室，当时的机械工程教授克里斯托弗•爱德华兹（Christopher Edwards）问了我们几个博士生一个简单的问题：“将化学键能转化为有用功，最有效、最实用的方法是什么？”

我们首先考虑的是燃料电池，因为它们非常高效。燃料电池利用催化剂来触发化学反应释放能量，但催化剂通常成本高昂、降解时间长，且对负载的快速变化反应不佳。于是我们开始寻找替代方案。

我们知道，压缩空气与燃料的混合物可以触发能量的释放。这一过程的原理如下。

首先，燃料和空气进入端壁可移动的封闭室。然后，封闭室的端壁彼此相向移动，挤压燃料和空气的混合物。在这一过程中，混合物的分子碰撞得越来越快，直到最终破裂并重新形成不同的分子，释放储存在化学键中的能量。释放的能量令新的分子碰撞得更快、更频繁，不仅与其他分子碰撞，还与封闭室的端壁碰撞，使封闭室中的压力提高。这一切都发生在没有火花或任何其他点火源的情况下。

压力将可移动端壁向外推，其作用力大于循环开始时将端壁向内推所需的力。一旦移动端壁到达其初始位置，且封闭室内的压力恢复至初始状态，将送入一批新的燃料和空气，把前一个循环产生的分子推出封闭室，并再次开始一个完整循环。理论上就是如此。

为验证这一点，2008年，我们构建了一种装置，它能够将初始体积压缩至原来的1/100，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，管的一端是封闭的，另一端有一个金属弹头作为活动壁。此装置的工作原理与发动机气缸内压缩气体的活塞相似，不过我们装置中的“活塞”并未与曲轴或任何东西相连接。稍后我将讨论此类发动机架构对这种反应的限制，以及我们如何用新型机器解决这些问题。这是一个很好的开始。

我们的第一台装置非常简单，每回只能“发射”一次，而且不产生电能；也就是说，没有获取生成的能量。但我们可以用它来测量反应的效率，即在体积膨胀的过程中，须对活动壁施加的外推力与所用燃料的量的比例。结果非常好：正如所希望的那样，这台装置与燃料电池同样高效。

接下来，必须建立可发电且以合理成本多年运行的装置。2010年，我和香农•米勒（Shannon Miller）、亚当•辛普森（Adam Simpson）共同创建了Mainspring Energy公司，建造可用于真实世界的系统。科斯拉创投为我们提供了最初的种子资金；迄今为止，我们已经从一系列投资者那里筹集了超过5亿美元，包括科斯拉创投、美国电力公司、比尔•盖茨、新纪元能源等。

早前，研究实验室建造了基于传统内燃机结构的无焰式压缩反应发电机，但此类设备的局限性在于很难控制反应。为提高效率，需要将混合物压缩到刚好引起反应的程度。如果在反应发生后继续压缩，会出现对抗反应的压力，浪费能量；如果压缩停止得太早，则反应不会发生。

最佳压缩量随着条件的变化而变化，首先是燃料的选择。例如，氢气的压缩程度就比氨的压缩程度小。以部分功率输出而非全功率输出运行，或在炎热/寒冷的天气下运行，都会使最佳压缩量发生变化。

反应产生的额外压力推动活塞，活塞推动连杆使曲轴旋转，这是传统发动机获得能量的方式。曲轴的几何结构约束活塞，使活塞始终遵循相同的运动轨迹，因此无论发生什么情况，压缩量都相同。这样的发动机适应所需压缩量的变化，很难对反应进行控制。

因此，我们没有模仿发动机，而是设计了一种新的机器，将压缩和扩张运动直接与发电联系起来，实现必要的反应控制。这种机器最终的外观与传统发动机截然不同，几乎没有任何相同的部件。所以我们觉得它需要一个新的名字，将它称之为线性发电机。

Mainspring公司发电机的核心是高效、清洁的无焰式反应，几乎可以使用任何燃料，包括此处所示的无碳氨。氨与空气中的氧气发生反应，产生氮气和水，生成对箱壁的推力。

假设有5个圆柱形组件排列成一排，固定在盒状框架内。中心的空管是反应室，用于容纳燃料和空气。反应室的两端各有一台线性电磁机（LEM）将压力产生的推力直接转换成电能。发电机的每一端都有一个充满空气的圆柱形管腔充当弹簧，将线性电磁机的活动部件弹回至中心。整个装置（包括两个空气弹簧、两个线性电磁机和一个反应室）共同组成了线性发电机机芯。它又长又细：这台额定功率为115千瓦的机器长约5.5米，高和宽各约1米。

从原理上讲，线性电磁机相当于一台电动马达，它展开成一条直线而非一个圆，由一个活动部分（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，在靠近中心的圆周上有一排钕永磁体。末端板盖住每根转换器管，密封在反应室的内表面。转换器的盖帽端就像发动机中的活塞一样，完成实际压缩，但在设计上有很大不同。定子则为一系列铜线圈。当转换器在线圈内做直线往复运动时，磁铁产生电流，馈送到800伏的直流总线。

这种工作方式有点像回馈制动：电动汽车电动机反向工作，作为发电机，将汽车的运动转化为电能，馈送到电池。在这里，线性电磁机将转换器的动能转化为电能。

通过一组功率开关晶体管，我们的控制计算机可立即调整线圈中的电流大小，使线性电磁机的作用力增加或减少。线性电磁机可在约0.1毫米的精度范围内抵达指定的折返位置，然后在下一个循环中瞄准并抵达不同的折返位置。该系统可确定一个折返位置，在该位置上，压缩程度刚好可以在冲程结束之前触发反应，这是最有效的点。

这种快速自动调整压缩的能力在两个方面引人注意。

第一，为了跟随需求变化，发电机可在整个负载范围内（从怠速到满功率）维持最佳反应过程。例如，若电力需求下降，燃料涌入将趋于缓慢，燃料分子的分布较为稀疏；这将需要较大的压缩量，我们的系统将提供恰当的压缩量。

举一个这种系统运行的真实例子：我们的发电机与3.3兆瓦的屋顶太阳能板相结合。阳光明媚时，我们的发电机会关闭；太阳下山或被云层遮挡时，发电机会在几秒内自动启动，立即按照建筑的需求精准供电。

在需要时，该系统可以提供所需的压缩程度，并解锁出可广泛使用各类不同属性燃料的能力。例如，氢不需要压缩就能发生反应，氨需要较高的压缩程度。线性发电机对燃料不挑剔，可以使用多种燃料运行，包括天然气、沼气、氢气、氨气、合成气，甚至酒精，都不会影响性能。

这就是线性电磁机。线性电磁机架构的其余部分也是我们设计的，可在真实机器中保持反应的内在效率，确保摩擦、传热等损耗最小，可靠运行数十亿次循环。

我们必须做出的一个重大抉择是决定机器的总体布局。我们知道，加压气体必须推动与电磁力直接相连的活动壁，但实现的方法却不止一种。在第一年的时间里，我们几个创始人和其他7位工程师一起，花了许多时间在白板上思考我们的选择。最终，我们选择了一个对称式布局，在两个转换器中间放置一个单独的圆柱形腔体。稍许加压的燃料空气混合物通过一端的开孔送入装置。当转换器离开这一端时，这些开孔不被堵住，由于新送入的混合物压力略高，它会流入腔体中，将使用过的物质从另一端的开孔推出。

这种方式以圆柱腔壁上的一组简单开孔取代了传统发动机的配气机构，包括阀、阀座、导轨、密封件、弹簧、摇臂、凸轮轴、轴承、正时链条和机油润滑。将两个转换器组合在一个气缸腔体的另一大优点是，传热损耗减少了将近一半。

Mainspring公司专利密封设计中的重叠部分使密封环即使在磨损后也能保持高效密封。该装置不需要添加润滑剂。

我们最后一个重大设计方案是在发电机的两端各增加一个气室。当转换器在循环的膨胀环节向外移动时，转换器的外端压缩外部气室中的普通空气，可存储一部分反应的能量。随后，当压缩空气将转换器推回中心，开始下一个压缩循环时，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过程相同。通过这种方式，线性电磁机可以在两个方向施加制动力并发电，为此我们可以把尺寸减少一半。

我们还将少量的压缩空气从系统中排出，送入空气轴承。与机油润滑的轴承相比，空气轴承的摩擦更小，密封方式更简单。它们的工作方式好似曲棍球，一排小孔形成了一层加压空气膜，曲棍球漂浮在这层膜之上。

2012年，在完成1000万美元的第一轮融资后约一年半，我们完成了首个发电机原型。它的输出功率仅为1千瓦。

发电机首次投入使用几天后，一位投资者告诉我们，他计划来我们位于美国加州门洛帕克市的总部看看发电机的运行情况。负责大部分电气设计的工程师意识到，我们需要一种能够展示发电机正在发电的办法来进行演示，于是他跑到附近的一家五金店买了几只卤素灯，直接插在电气母线上。与学校里做的“土豆点灯泡”科学实验相比，我们的项目并不耀眼，但它证明我们的设计是切实可行的。

然而，实际的发电量与我们的商业目标200千瓦相距甚远。我们之所以选择这个数字，是因为这可以满足一家典型零售店的用电需求。

我们的下一个里程碑是在2013年末，当时我们制造了一台50千瓦的发电机。然而，它压根发不了电。

大型电力设备在起步阶段遇到问题并不罕见。一组线圈以较高的频率开关高压会产生大量的电噪声。在我们的设备中，噪声馈送至位置传感器，导致线性电磁机振动，产生“嘎吱嘎吱”的声音。我们的电气和控制工程师解决了这一问题，消除了噪声。

但后来我们却名副其实地“撞了墙”：每当我们试图发电超过数千瓦时，转换器的侧面就会刮蹭到气缸壁。

要想解释这一情况，就不得不说到线性发电机的另一个组件：转换器和气缸壁之间的密封件。密封件既要防止加压气体泄漏，同时又不妨碍转换器的滑动。

通常情况下，为了避免摩擦，会在两个部件之间使用一层液体油。但我们要通过气缸壁上的开孔向气缸输送新鲜空气和燃料，如果在这样的装置中使用液体润滑剂，几乎不可能防止其进入燃料混合物并在反应过程中燃烧，产生有害排放物。

因此，我们决定开发一种无油密封系统。该系统在我们的1千瓦设备中运行良好，于是我们将此设计扩展至50千瓦的型号。尽管机器变大了，但间隙在绝对意义上要保持不变，故在相对意义上更为紧密。这使部件的微小畸变形成了摩擦点，从而引起进一步畸变，最终导致剐蹭问题失控。

经过数月的各种调整，我们仍然无法在不出现剐蹭的情况下实现超过20%的满功率运行。于是我们抛弃了旧的密封设计，另起炉灶。最终，我们发明出独特的碳密封环，该组件可以独立于转换器悬浮，磨损后可以膨胀，从而保持密封。

由此问题得以解决。几个月后，我们已满功率运转了数百小时。下一步大规模扩展是从50到100千瓦，这并不太困难。最后，第一台正式的原型机成功安装我们在公司后面的停车场。

我们仍然需要实现经济合理的线性发电机价格。这项技术的优点在于使用的零件比发动机或涡轮机少，不需要昂贵的燃料电池催化剂。但我们必须解决大批量生产的包装设计、工程设计问题，我们确认的产品供应链由两个并排的线性发电机组成，总功率为230千瓦。在这一过程中，我们犯了一些错误。

我们想努力降低磁体阵列与转换器管外部的物理连接的成本，这便引发了其中一个重大错误。在原型机中，我们在粘连磁体的外侧用树脂浸渍的凯芙拉纤维缠绕，将磁体固定在外管。在第一次降低成本的尝试中，我们改用了更快速、更容易使用的浸渍布进行缠绕。但在用这种方法制作了几个单元后，我们发现布下缠绕的磁铁容易出现松动。因此，我们改回老办法，缠绕凯芙拉纤维，最后通过开发自动缠绕工艺降低了成本。

最终，在2020年6月新冠疫情肆虐期间，一群人开着一辆平板卡车来到我们的硅谷总部，装载上世界上第一台线性发电机，运到了30公里外的一家全国连锁零售店，这是我们一名付费客户的现场。几天后，我们合上开关，正式营业！数月后，我们将第二台机组交付给南加州的克罗格超市；不久之后，又一对机组被送到了Lineage Logistics物流公司的冷藏设施。

创办这家公司时，我们优化了第一台天然气发电机，因为这是当时最普遍、最便宜、相对清洁的能源。尽管确实会产生碳排放，但我们的高效系统比它所替代的传统发电机更为绿色环保。

Mainspring公司的首个商用产品包含两个线性发电机机芯。该装置安装在美国北加州的一家商店外，功率高达230千瓦。

我们将线性发电机作为零碳电网的基石，因为它具有独特的灵活性：从单个机组到并网阵列，它几乎可以应对任何规模的电力需求；它能够很容易地安装在任何需要电源的地方；它几乎可以使用任何燃料。我们使用氢气和无水氨运行一台库存装置。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2023年开始在废水处理厂和乳制品垃圾消化池运营其他沼气项目。我们正在筹备部署由多达数十台发电机组成的发电机组，用于电动卡车充电等大规模应用。我们正在设计兆瓦级输出功率的大规模设备，用于公用电力部门。它们都将使用相同的核心技术，不需要对设计进行大的改动。

爱德华兹教授，对于您在20年前提出的问题“要将化学键能转化为有用功，最有效、最实用的方法是什么？”我们认为我们已经找到了答案。

那就是线性发电机。