Основатели компании Mainspring Energy, к числу которых отношусь и я, потратили четырнадцать лет на развитие новой технологии электрогенерации. В 2020-м мы начали промышленное внедрение наших систем. Они уже действуют на десятках площадок, вырабатывая мощность от 230 до 460 кВт.
История создания нашего линейного генератора началась почти двадцать лет назад в стенах Лаборатории новейших энергетических систем Стэнфордского университета. Профессор Кристофер Эдвардс задал своим аспирантам простой вопрос: «Как наиболее эффективно и практично преобразовать энергию химических связей в полезную работу?»
УХОДЯ ОТ ШАБЛОНА
Сначала мы подумали о топливных элементах, имеющих очень высокий КПД. Но они нуждаются в катализаторах, которые, как правило, дорого стоят и со временем деградируют. Кроме того, топливные элементы плохо реагируют на изменение нагрузки. Поэтому мы стали искать альтернативы.
Известно, что для высвобождения химической энергии достаточно сжать топливно-воздушную смесь. Возникающее при её сгорании давление намного превышает то, что использовалось для сжатия.
Для экспериментов в 2008 году мы построили аппарат, способный сжимать смеси в сто раз и обеспечивать последующее их расширение. Он представлял собой двухметровую трубу диаметром 50 мм, в которой скользила металлическая болванка, по форме напоминающая поршень ДВС. На этом сходства заканчиваются и начинаются различия, поскольку никакого кривошипно-шатунного механизма у нас не было, а «поршень» ни к чему не присоединялся.
На первой экспериментальной установке, которая делала лишь по одному «выстрелу» за раз и не могла вырабатывать электроэнергию, мы измерили эффективность реакции и определили требуемые параметры топливной смеси. И получили отличные результаты: система обещала быть не менее эффективной, чем топливные элементы. Теперь нужно было построить не слишком дорогой прототип, способный вырабатывать электроэнергию.
В 2010 году мы вместе с Шенноном Миллером и Адамом Симпсоном основали компанию Mainspring Energy с целью разработки новой технологии генерации. Фонд Khosla Ventures предоставил нам начальный капитал. На сегодня мы привлекли инвестиции в объёме 500 млн долл. от целого ряда инвесторов, включая Khosla Ventures, American Electric Power, NextEra Energy и Фонд Билла Гейтса.
Надо сказать, что мы далеко не первые исследователи, которые работали с безыскровым воспламенением топливной смеси. Но все наши предшественники в той или иной мере опирались на стандартную конструкцию ДВС, а потому не могли контролировать реакцию горения. Для эффективного извлечения энергии топливная смесь должна быть сжата до строго определённого уровня. В случае его превышения часть энергии горения будет потеряна.
Оптимальная степень сжатия меняется в зависимости от множества условий начиная с вида топлива. Например, водород зажигается при меньшей компрессии, чем аммиак. Для эффективной эксплуатации установки при разных температурных условиях, разных атмосферных давлениях и на неполной мощности также требуется подстраивать степень сжатия.
В традиционных ДВС поршень всегда следует по одной траектории, так что степень сжатия всегда одна и та же. Такой двигатель не адаптируется к меняющимся условиям. Чтобы не быть ограниченными конструкцией, мы создали машину нового типа, где сжатие и расширение горючей смеси напрямую привязано к выработке электроэнергии, которой можно тонко управлять, тем самым управляя и реакцией горения. Наша машина выглядит совсем иначе, нежели традиционный ДВС, а потому мы выбрали для неё новое название - «линейный генератор».
СИММЕТРИЧНАЯ СХЕМА
Представьте цилиндрическую конструкцию, в центре которой находится реактор, куда поступают горючее и воздух (см. рисунок). По обеим сторонам расположены линейные электромагнитные машины (ЛЭМ), преобразующие силу давления горячих газов в электрическую энергию. После них - заполненные воздухом камеры, действующие как пружины. Они отбрасывают движущиеся части (трансляторы, состоящие из плунжера и магнитов) обратно к центру цилиндра. Таким образом, ядро генератора состоит из трёх элементов: реакционной камеры, ЛЭМ и воздушных пружин. Установка номинальной мощностью 115 кВт имеет длину 5,5 м, высоту и ширину примерно по 1 м.
Линейная электромагнитная машина включает мощные неодимовые магниты в подвижном трансляторе и неподвижные статорные обмотки, расположенные вокруг цилиндра.
Рабочий цикл начинается с запуска топлива в реакционную камеру. На энергии, сохранённой в воздушных пружинах после предыдущего цикла, плунжеры сходятся вместе и сжимают топливную смесь. Энергия её горения разводит трансляторы в стороны. В статорных обмотках, внутри которых движутся магниты, вырабатывается электрический ток. Помимо этого энергия горения сжимает воздушные пружины, чтобы система была готова к следующему циклу. Пружины действуют подобно регенеративной системе торможения в гибридном или электрическом автомобиле.
ГИБКОСТЬ НА ЛЕТУ
Если в традиционной генерирующей системе генератор независим от турбины, то здесь силовые транзисторные схемы отбирают от статорных катушек ровно столько энергии, сколько трансляторы должны передать воздушным пружинам для получения строго рассчитанной степени сжатия на следующем цикле. Ход плунжеров регулируется с точностью до 0,1 мм и может меняться каждый цикл, помогая подстраивать систему под изменяющиеся рабочие условия.
Такая схема позволяет находить оптимальный режим во всём диапазоне нагрузок (от холостого хода до полной мощности) на линейный генератор, легко адаптируясь под текущее потребление энергии. Соответственно регулируется количество топлива, поступающего в камеру, и меняется коэффициент сжатия смеси. Эта же схема обеспечивает топливную гибкость: можно вместо природного газа использовать водород (он требует меньшей компрессии) или аммиак (требует большей компрессии).
ЭНЕРГОПРОРЫВ
На пути к внедрению установки наша команда преодолела немало технических трудностей. В результате из конструкции были исключены такие элементы и системы ДВС, как распределительный вал, клапаны, уплотнительные кольца, масляная смазка, подшипники скольжения. В системе используются только воздушные подшипники, на которые подаётся часть воздуха, сжатого в воздушных пружинах.
Первый прототип энергоустановки был собран в 2012 году. Он выдавал мощность всего лишь 1 кВт, но нам нужно было получить по меньшей мере 200 кВт - величину, необходимую для энергообеспечения серьёзного коммерческого объекта, например универсама.
В конце 2013 года мы построили прототип установки на 50 кВт, который вообще не заработал. Сначала появился электрический шум: наводки от силовых ключей, коммутирующих обмотки статора, воздействовали на датчики. Этот шум проникал в цепь обратной связи и заставлял всю систему сильно вибрировать. С этой проблемой наши инженеры справились. Затем обнаружилось, что каждый раз, когда мы пытались получить мощность больше нескольких киловатт, плунжер скрежещет о стенки цилиндра. Подвело воздушное уплотнение.
При масштабировании установки с 1 до 50 кВт размеры её элементов увеличились, а требования к величинам зазоров остались на прежнем уровне. Из-за этого малейшие изменения в геометрии транслятора и цилиндра приводили к их физическому соприкосновению и страшному скрежету. Помучавшись с разными подстройками, мы не получили желаемого результата и вынуждены были заново проектировать систему воздушных подшипников и уплотнений. В результате пришлось изобрести уникальное кольцевое уплотнение из графита, которое автоматически подстраивается по мере истирания материала, сохраняя свою герметичность.
Скрежет прекратился, и установка успешно прошла испытания на продолжительную работу при полной мощности в течение сотен часов. Следующий этап масштабирования - с 50 до 100 кВт - прошёл легче и завершился созданием первого официально представленного прототипа, который мы установили на парковочной площадке позади нашего офиса.
В дальнейшем усилия разработчиков были направлены на снижение себестоимости оборудования. Наша технология генерации выгодно отличается от газопоршневой и газотурбинной технологий меньшим числом деталей, но нужно было подумать о способах массового производства оборудования и о цепочках поставок основных комплектующих. Например, мы разработали способ и оснастку для крепления магнитов на трансляторе с использованием кевларовой рубашки.
В итоге в июне 2020 года, в самый разгар пандемии, наша команда из штаб-квартиры в Кремниевой долине доставила на грузовике первый генератор клиенту - магазину крупной розничной сети. Через пару месяцев вторая коммерческая установка была смонтирована в магазине Kroger на юге Калифорнии. Бизнес начал приносить доход!
Мы считаем, что линейный генератор станет основой для безуглеродной электрогенерации будущего, поскольку позволит нашим клиентам постепенно переходить на всё более чистые виды топлива.
Об авторе: Мэтт Свирсек - главный технолог Mainspring Energy.
__________________________________
Спасибо за ваши комментарии и лайки. Нам важно, что вы нас читаете.