この新種の発電機は、ほぼすべての燃料で稼働可能

Jul 04, 2023

ゼンマイのリニア発電機はゼロカーボン電力網への移行を加速する可能性がある

技術者はリニア発電機のコアのフレームの作業を行っています。

2030 年 1 月、電気自動車はガレージで充電されている間、電気ヒートポンプが家を暖めています。その電力は屋根にあるソーラー パネルと地元の電力会社の風力発電機と太陽光発電機で賄われています。 去年の夏の太陽光で生成されたアンモニアを電力会社が利用しているので、2週間雨が降り続いても関係ありません。 そのアンモニアをリニア発電機で消費しているのです。

リニア発電機は、バイオガス、アンモニア、水素など、さまざまな種類のグリーン (必要に応じてそれほどグリーンではない) 燃料を素早く切り替えることができます。 それは、脱炭素化された電力システムを利用可能にし、信頼性が高く、天候や燃料供給の変動に対して回復力のあるものにする可能性を秘めています。 そしてそれは空想ではありません。 開発、テスト、商用展開が行われています。

私もその一員である Mainspring Energy の共同創設者は、このテクノロジーの開発に 14 年を費やし、2020 年に商業展開を開始しました。 現在、数十の施設に設置されており、各施設で 230 ～ 460 キロワットを生産しています。 来年中にはさらに多くの場所でリニア発電機が稼働すると予想されます。

リニア発電機の物語は、約 20 年前、スタンフォード大学の先進エネルギー システム研究所で、機械工学教授のクリストファー エドワーズが私たち数名に博士号取得の質問をしたときに始まりました。 生徒たちに、「化学結合エネルギーを有用な仕事に変換する最も効率的で実用的な方法は何ですか?」という単純な質問をしました。

燃料電池は非常に効率的であるため、私たちは燃料電池について検討することから始めました。 しかし、燃料電池はエネルギーを放出する化学反応を引き起こすために触媒を使用しますが、触媒は一般に高価で、時間の経過とともに劣化し、負荷の急激な変化に対する反応が悪くなります。 そこで私たちは代替手段を探し始めました。

私たちは、空気と燃料の混合物を圧縮するだけでエネルギーの放出を引き起こすことができることを知っていました。 これがどのように機能するかです。

メインスプリング発電機の中心部にある効率的でクリーンな無炎反応は、ここに示されているような炭素を含まないアンモニアを含むほぼすべての燃料で動作します。 アンモニアは空気中の酸素と反応して窒素ガスと水を生成し、その結果として箱の壁を押す力が生じます。 ぜんまい

まず、燃料と空気は、可動端壁を備えた密閉チャンバーに入ります。 次に、これらの端壁が互いに向かって動き、燃料と空気の混合物を圧縮します。 これが起こると、混合物内の分子はますます速く衝突し、最終的にはバラバラになって別の分子に再形成され、化学結合に蓄えられていたエネルギーが解放されます。 そのエネルギーにより、新しい分子はさらに速く、より頻繁に衝突し、それ自体だけでなくチャンバーの壁とも衝突し、チャンバー内の圧力が上昇します。 すべては火花や他の発火源なしで起こります。

圧力は、サイクルの開始時に壁を内側に押すのに必要な力よりも大きな力で壁を外側に押します。 これらの壁が初期位置に達し、チャンバー内の圧力が初期状態に戻ると、新しい燃料と空気が流入し、前のサイクルで生成された分子がチャンバーの外に押し出され、プロセスが最初からやり直しになります。 それが理論です。 それをテストするために、2008 年に、初期値の 100 倍の体積を圧縮し、その後再び膨張させることができる装置を構築しました。 長さ 2 メートル、直径 50 ミリメートルの金属管を使用し、一端に閉じた壁と、動く壁として金属の塊を備えました。 この配置は、エンジンのシリンダー内のガスを圧縮するピストンのように機能します。ただし、類似点はそこまでです。私たちのデバイスの「ピストン」は、クランクシャフトなどにはまったく取り付けられていませんでした。 この種の反応に対するこのタイプのエンジン アーキテクチャの制限と、新しいタイプのマシンでそれらをどのように解決したかについては後ほど説明します。 しかし、それは始めるには良い場所でした。

私たちの最初の装置は非常に単純でした。一度に 1 つの「ショット」しか実行できず、電気も生成しませんでした。 つまり、生成されたエネルギーを収穫しませんでした。 しかし、これを使用して反応効率、つまり使用された燃料の量と比較して膨張中に移動する壁に加えなければならない追加の圧力を測定することはできます。 そして結果は素晴らしく、私たちが期待していた通り、このデバイスは燃料電池として効率的でした。 今度は、手頃なコストで発電して何年も稼働できるバージョンを構築する必要がありました。 2010 年に、シャノン ミラー、アダム シンプソン、そして私は Mainspring Energy を組み込み、現実世界のシステムを構築しました。 Khosla Ventures が最初のシードマネーを提供してくれました。 これまでに、Khosla、American Electric Power、Bill Gates、NextEra Energy を含むさまざまな投資家から 5 億米ドル以上を調達しました。

無炎圧縮反応を利用する発電機は、従来の燃焼エンジン構造に基づいて以前にも研究室で構築されていましたが、このタイプの装置では反応を制御することが難しいため限界がありました。 効率的にするには、反応を開始するのに十分なだけ混合物を圧縮する必要があります。 反応が起こった後も圧縮が続くと、反応によって発生した圧力と戦い、エネルギーを無駄に消費します。 圧縮が早すぎると反応は起こりません。

この最適な圧縮は、燃料の選択から始まる条件によって異なります。たとえば、水素はアンモニアよりも低い圧縮で反応します。 フルパワーではなく部分的な出力で実行したり、暑い日と寒い日で実行したりすると、最適な圧縮も変わります。

従来のエンジンは、反作用によって生成された余分な圧力がピストンを押し、ピストンがコネクティングロッドを押してクランクシャフトを回転させるときにエネルギーを回収します。 クランクシャフトの形状により、ピストンは常に同じ動きをするように制約され、したがって、何があっても同じ量の圧縮が行われます。 このようなエンジンは必要な圧縮の変化に適応できないため、反応を制御することが困難になります。

そこで私たちは、エンジンを模倣するのではなく、圧縮と膨張の動きを発電に直接結びつけ、必要な反応制御を提供する新しい機械を設計しました。 このマシンは、従来のエンジンとはまったく異なる外観を持ち、共通する部分がほとんどありませんでした。 そこで私たちは新しい名前が必要であると感じ、それをリニアジェネレーターと名付けました。

一連の 5 つの円筒形アセンブリが一列に配置され、箱状のフレーム内に保持されている様子を想像してください。 中央のチューブは反応チャンバーです。 燃料と空気が行くところです。 その両側には、圧力からの圧力を直接電力に変換する線形電磁機械 (LEM) が設置されています。 ジェネレーターの両端には空気が満たされた円筒形のチャンバーがあり、LEM の可動部分を中心に戻すバネとして機能します。 配置全体 (2 つの空気バネ、2 つの LEMS、および反応チャンバー) がリニア ジェネレーター コアを形成します。 長くて細い。定格出力 115 kW のマシンは、長さが約 5.5 メートル、高さと幅が約 1 メートルです。

LEM は原理的には、円ではなく線を形成するように展開された電気モーターです。 これは、可動部分 (トランスレータ) と固定部分 (ステータ) で構成されます。 トランスレータは長くて真っ直ぐなチューブで、中心付近の周囲にネオジム永久磁石の配列が取り付けられています。 エンドプレートは各トランスレーターチューブの蓋をし、反応チャンバーの内面を密閉します。 トランスレーターのキャップ付き端は、エンジンのピストンと同様に実際の圧縮を行いますが、設計が大きく異なります。 ステーターは一連の銅コイルです。 トランスレータがコイル内で直線的に前後に移動すると、磁石が 800 ボルトの DC バスに電流を供給する電流を生成します。

Mainspring のリニア ジェネレーターでは、2 つのトランスレーターが、外側の 2 つの空気バネの間にある中央の反応ゾーン内を移動します。 一連の固定銅コイルが各変換器を囲み、線形電磁機械 (LEM) を形成します。サイクルは、空気と燃料を中央の反応ゾーンに導入することで始まります。 前回のサイクルで空気中に蓄えられたエネルギーが、無炎反応が起こるまで混合物を圧縮します。 この反応により、磁石が取り付けられたトランスレーターが銅コイルを通って戻り、電気が発生します。 この動きの力によって空気バネも圧縮され、システムが次のサイクルに向けて準備が整います。メインスプリング

むしろ回生ブレーキのような働きをします。 電気自動車のモーターは逆に発電機として機能し、車の動きを電気に変換してバッテリーに電力を供給します。 ここで、LEM はトランスレーターの運動エネルギーを電気に変換します。

当社の制御コンピュータは、一連のパワースイッチングトランジスタを介してコイルを流れる電流を即座に調整し、LEMに多少の力を加えます。 LEM は、約 1/10 ミリメートル以内で希望の方向転換位置に到達し、次のサイクルで別の方向転換位置をターゲットにして攻撃することができます。 システムは、ストロークの終了直前、つまり最も効率的なポイントの直前に、圧縮レベルによって反応が引き起こされるターンアラウンド位置を決定します。

圧縮を自動的かつ迅速に調整するこの機能は、2 つの点で注目に値します。

まず、発電機は、需要に従うために、アイドル状態からフルパワーまで、全負荷範囲にわたって最適な反応プロセスを維持します。 たとえば、電力需要が低下すると、燃料の流れが遅くなり、燃料分子が少し薄まります。 もう少し圧縮が必要になりますが、私たちのシステムは適切な量を提供します。

このように動作するシステムの実例の 1 つは、当社の発電機と 3.3 メガワットの屋上の太陽電池アレイを組み合わせています。 太陽が輝いているときは発電機がオフになり、太陽が沈むか雲に隠れると、数秒以内に発電機が自動的にオンになり、建物が必要とするだけの電力を即座に供給します。

必要なときに必要な圧縮を提供することで、大きく異なる特性を持つ燃料を使用して効率的に動作する機能も解放されます。 たとえば、水素はほとんど圧縮せずに反応しますが、アンモニアは多くの圧縮を必要とします。 リニア発電機は燃料に依存せず、性能を損なうことなく、天然ガス、バイオガス、水素、アンモニア、合成ガス、さらにはアルコールを含む幅広い燃料を使用できます。

それがLEMです。 アーキテクチャの残りの部分は、数十億サイクルにわたって確実に動作しながら、摩擦や熱伝達などの損失を最小限に抑える実際のマシンの反応固有の効率を維持するために取り組んだときに生まれました。

私たちがしなければならなかった最大の選択の 1 つは、マシンの全体的なレイアウトでした。 加圧ガスが電磁力に直接接続された移動する壁を押す必要があることはわかっていましたが、それを実現する方法はいくつかありました。 最初の 1 年ほど、私たち創業者は他の 7 人のエンジニアと一緒に、ホワイトボードに向かって何時間もかけて選択肢を検討しました。 最終的に、2 人の翻訳者が 1 つの中央の円筒内で会合する対称的なレイアウトを選択しました。 わずかに加圧された混合気は、一方の端の穴から入ります。 トランスレーターがその端から離れると、これらの穴は覆われなくなり、新鮮な混合物はわずかに高い圧力になっているため、シリンダー内に流れ込み、使用済みの材料をもう一方の端の穴から押し出します。

この選択により、従来のエンジン バルブ トレイン (バルブ、シート、ガイド、シール、スプリング、ロッカー、カムシャフト、ベアリング、タイミング チェーン、オイル潤滑) が、シリンダー壁の単純な穴のセットに置き換えられます。 1 つのシリンダー内で 2 つの変換器を組み合わせるもう 1 つの利点は、熱伝達損失がほぼ半分に削減されることです。

カリフォルニア州メンローパークにある Mainspring Energy の施設の 1 つで、圧縮空気を空気バネから発電機のベアリングに送る技術者

クリエイティブショット

ステーターは組み立ての準備として位置決めされています

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技術者がコイルに巻く銅線を準備する

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ガントリーは完成したコアを製造フロア全体に移動させ、最終組み立てを行います。

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私たちの最後の主要な設計上の選択は、発電機の両端に空気室を追加することでした。 サイクルの膨張部分でトランスレーターが外側に移動すると、トランスレーターの外側の端が外側のチャンバー内の普通の空気を圧縮し、反応エネルギーの一部を蓄えます。 この蓄積されたエネルギーは、圧縮空気がトランスレータを中心に向かって押し戻して次の圧縮サイクルを開始するときに回収されます。 機械的なバネを圧縮したり解放したりしてエネルギーを蓄えるのと同じ考え方です。 このようにして、LEM は制動力を加えて両方向に電力を生成できるため、LEM のサイズを半分に減らすことができます。

また、エアベアリングに供給するために、この加圧空気をシステムから少量放出します。 オイル潤滑ベアリングと比較して、エアベアリングは摩擦が低く、シールが簡単です。 これらはエア ホッケー ゲームと同じように機能し、小さな穴の配列が加圧された空気の膜を作り、その上にパックが浮かびます。

最初の資金調達から 1,000 万ドルを調達してから約 1 年半後の 2012 年に、電力を生成する最初のプロトタイプが完成しました。 1kWしか出ませんでした。

初めて動作させてから数日後、投資家の 1 人が、カリフォルニア州メンローパークの本社に立ち寄って動作を見に行く予定だと連絡してくれました。 電気設計の大部分を担当したエンジニアは、デモのために電力が供給されている様子を確認する方法が必要であることに気づき、近くの金物店に駆け出し、ハロゲン作業灯をいくつか購入し、それらを電源に直接接続しました。電気バス。 ジャガイモが電球に電力を供給するという学校の科学プロジェクトよりもほとんど印象的ではありませんでしたが、これは私たちの設計が機能したことを証明しました。

しかし、出力は私たちの商用目標である 200 kW には程遠いものでした。この数値は、一般的な小売店に十分な電力を供給できるという理由から選択されました。

次のマイルストーンは 2013 年末に、50 kW のマシンを構築したときに起こりました。 そして…それはまったく機能しませんでした。

大電力機器では珍しくない問題が発生していました。 高電圧を比較的高い周波数でスイッチングする一連のコイルは、大量の電気ノイズを発生します。 私たちのデバイスでは、それが位置センサーにフィードバックされて LEM が振動し、「ザクザク」と呼ばれる音を発生させました。 当社の電気および制御エンジニアは問題を解決し、解決することができました。

しかしその後、文字通り壁にぶつかりました。数キロワット以上の出力を生成しようとすると、トランスレータの側面がシリンダーの壁に沿ってこすれてしまうのです。

メインスプリングの特許取得済みのシーリング設計の重複セグメントにより、リングが摩耗しても効率を維持できます。 この装置には潤滑剤を追加する必要はありません。 ぜんまい

何が起こったのかを説明するには、リニア ジェネレーターのもう 1 つのコンポーネント、トランスレーターとシリンダー壁の間のシールについて説明する必要があります。 このシールは、トランスレーターのスライドを可能にしながら、加圧ガスの流出を防ぐために存在します。

通常、摩擦を避けるために 2 つの部品の間に液体オイルの層を使用します。 しかし、覚えておいてください、シリンダー壁の穴を通して新鮮な空気と燃料をシリンダーに加えているので、この配置で液体潤滑剤を使用した場合、それが燃料混合物に入り込み、燃焼中に燃焼するのを防ぐことはほぼ不可能になります。反応プロセスにより有害な排出物が生成されます。

そこで私たちはオイルフリーのシールシステムを開発することにしました。 1 kW デバイスではうまく機能したため、同じ設計を 50 kW モデル用にスケールアップしました。 しかし、機械が大きくなったにもかかわらず、クリアランス要件は絶対的な意味では変わらないため、相対的な意味ではより厳しくなりました。 そのため、コンポーネントの小さな歪みが摩擦点を生み出し、さらなる歪みを引き起こし、暴走する削れの問題に終わりました。

何ヶ月もさまざまな調整を試しましたが、それでもスクレイピングせずにフルパワーの約 20% を超えて走ることはできませんでした。 そこで私たちは古いシーリング設計を捨てて最初からやり直しました。 私たちは最終的に、トランスレーターから独立して浮遊する独自のカーボン シール リング アセンブリを発明しました。このアセンブリは、摩耗すると拡張してシールを維持できます。

これにより問題は解決され、さらに数か月以内に、フルパワーで数百時間稼働できるようになりました。 次の大きな拡張ステップ (50 kW から 100 kW へ) はそれほど難しくなく、建物の裏の駐車場に設置した最初の公式プロトタイプで最高潮に達しました。

リニア発電機を手頃な価格にする必要がありました。 この技術には、エンジンやタービンよりも使用する部品が少なく、燃料電池のような高価な触媒が必要ないという利点がありました。 しかし、私たちはパッケージ設計、大量生産のためのエンジニアリング、そして総電力 230 kW の 2 台の並列リニア発電機で構成される製品のサプライ チェーンを理解する必要がありました。 途中でいくつかの間違いを犯しました。

大きなものの 1 つは、磁石アレイをトランスレーター チューブの外側に物理的に取り付けるコストを削減するための取り組みに関係しています。 プロトタイプでは、接着された磁石の外側に樹脂を含浸させたケブラー繊維を巻き付けることにより、磁石をチューブに固定しました。 コスト削減の最初の試みでは、より迅速かつ簡単に施工できる含浸布ラップに切り替えましたが、このアプローチでいくつかのユニットを構築した後、磁石がラップの下で緩んでいることに気づきました。 そこで私たちは巻きケブラーのアプローチに戻り、最終的には自動巻き取りプロセスを開発することでコストを削減しました。

Mainspring Energy の最初の商用製品には、2 つのリニア ジェネレーター コアが含まれています。 このユニットは北カリフォルニアの店舗の屋外に設置されており、最大 230 キロワットの電力を生成できます。MAINSPRING

最後に、2020 年 6 月、新型コロナウイルスのパンデミックの真っ只中、乗組員が平台トラックをシリコンバレーの本社まで引き上げ、世界初の量産リニア発電機を積み込み、有料顧客の自宅まで 30 キロメートル走行しました。全国小売チェーンの一部であるサイト。 数日後、スイッチを入れると、ビジネスが始まりました。 数か月後、2 台目のユニットを南カリフォルニアのクローガー店舗に納品し、その直後に 2 台のユニットがリネージ ロジスティックスの冷蔵施設に送られました。

当社が会社を設立したとき、最初の発電機を天然ガス用に最適化しました。なぜなら、天然ガスは当時最も広く入手可能で、最も安価で、比較的クリーンだったからです。 二酸化炭素は排出されますが、当社のシステムは効率が良いため、代替となる従来の発電機よりも環境に優しいものとなっています。

当社のリニア発電機は、その独特の柔軟性により、ゼロカーボングリッドの基礎であると考えています。単一ユニットからグリッド接続されたアレイまで、ほぼあらゆる規模の電力を処理できます。 電力が必要な場所ならどこでも簡単に許可され、設置できます。 そしてほぼどんな燃料でも動きます。 当社では在庫ユニットの 1 つを水素と無水アンモニアで稼働させています。 当社では、埋め立て地で再生可能なバイオガスを使用して顧客プロジェクトを実行しています。 私たちは今年、廃水処理プラントと乳製品廃棄物消化装置で他のバイオガスプロジェクトの稼働を開始する予定です。 私たちは、電気トラックの充電などの大規模な運用のために、最大数十台の発電機を導入する準備を進めています。 そして現在、メガワット出力範囲のより大型の実用規模バージョンを設計中です。 これらはすべて、根本的な設計変更を行わずに同じコアテクノロジーを使用します。

そしてそうです、エドワーズ教授、私たちはあなたが約 20 年前に投稿した質問、「化学結合エネルギーを有用な仕事に変換する最も効率的かつ実用的な方法は何ですか?」に答えたと思います。 それがリニアジェネレーターです。