2021年8月20日

重新发明蒸汽机

贡献:需求:ASME全球发展评论

卡尔·比伦伯格从工业革命的技术创新中找到了灵感，以缓解全球能源贫困。

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只要看一下地球夜间的卫星图像，就会发现很多关于世界能源不平等的问题。欧洲、美国和中东地区灯火通明。日本、东南亚大部分地区、加拿大南部以及南美洲和澳大利亚人口密集的沿海地区都是亮的。但非洲——除了灯火通明的约翰内斯堡和几个闪烁的城市中心——一片黑暗。

根据国际能源机构在美国，全球约有13亿人用不上电。其中近一半人生活在撒哈拉以南非洲的偏远小社区，那里有近10亿人口。此外，尽管许多非洲国家的经济增长迅猛，但由于基础设施扩张无法跟上城市增长的步伐，无法享受现代能源服务的人数正在增加。事实上，由于能源服务的高成本和缓慢增长，非洲“联网”人口的比例(包括城市和农村)在过去40年几乎没有变化。开云体育体育赛事

差不多就是这个时间卡尔•比伦贝格说一直在寻找在非洲创造负担得起的电力的方法。在20世纪80年代，这位机械工程师正在探索如何使用植物油作为柴油的低成本替代品，当时柴油为大多数农村机械提供动力。他开发的技术没有一项像他希望的那样具有成本效益，所以他又回到了图纸上。回来的路上。

Bielenberg回忆道:“我开始问为什么我们要抛弃蒸汽。“蒸汽是推动工业革命的动力来源。为什么我们不应该在非洲使用它?”

蒸汽机的简史

在18世纪中期到19世纪之间，大多数工厂、轮船和火车都是由蒸汽机驱动的。该技术很简单:一个锅炉——基本上是一个下面有火的罐子或容器——通过加热水来产生蒸汽。锅炉内大量的蒸汽产生了压力，可以用来推动运动和进行工作。

直到19世纪末，蒸汽机都是通过在锅炉中向活塞施加压力来产生可用的动力，当活塞开始运动时，就会引发连锁反应。这种机芯将旋转一个相连的轴，例如，当连接到机车的轮子或轮船的螺旋桨上时，可以用来驱动机械设备。或者它可以通过转动发电机来发电。这是一个简单的过程，蒸汽机是非常可靠和持久的机器。事实上，蒸汽机在不经常维护的情况下工作长达75年是很正常的。

在过去40年里，非洲的能源供应几乎没有变化。开云体育体育赛事

蒸汽机的缺点是体积大、重量重、资本密集。随着时间的推移，随着化石燃料和内燃机的广泛使用，蒸汽机的竞争力逐渐减弱。所以当Bielenberg决定重新使用蒸汽作为动力来源时，他知道他必须做出改进。

“这并不是说他们不知道在19世纪需要做些什么来提高效率。在大约100年的使用历史中，他们做了很多事情，”Bielenberg说。“但我们能够用他们没有的材料把它做得更远一点。”

2008年，利用现代材料和增强的热力学，比伦伯格提出了一个小规模的、以生物质为燃料的蒸汽动力工厂，它将木材和农业废料转化为可用的能源。他把这个原型机和他开始商业化的企业都称为原型机乡村产业力量，简称VIP。

生物质能的依赖

Bielenberg说，利用生物质作为一种强大而高效的能源是贫困、无电网社区的潜在游戏规则改变者，在这些社区，自然物质占总能源使用的75%至80%。开云体育体育赛事这一比例如此之高的部分原因是，大量生物质是在传统的明火中燃烧的，这是一种效率低下的供热方式。

比伦伯格认为，为了缓解能源贫困，有必要研究人们已经在使用的燃料，看看如何更有效地使用它们，并提供现代能源服务。“如果你能做到这一点，你就为人们提供了一个发展经济和提高生活水平的机会，而不用依赖昂贵的进口燃料。这是一个非常强大的范例。”

的贵宾当然，正如其名称中的“村庄”部分所暗示的那样，这种范式变化提供了巨大的推动力。开云体育体育赛事这台机器旨在为整个社区或小型商业活动提供能源，而不是为单个家庭提供能源。VIP的预期用途包括为农业加工、社区诊所和医院或微电网供电。事实上，所有这些应用程序都经过了测试。

从地理上看，VIP的目标市场包括欠发达国家，在这些国家，这项技术可以替代那些依赖柴油等昂贵燃料的功能。在非洲大部分地区，柴油的价格约为每升1美元。由于VIP是生物质燃料，这项技术只在生物质资源丰富的地区有用，而不是沙漠或树木或植被稀少的地区。最理想的地区在赤道10到30度的范围内。

在非洲偏远的萨赫勒地区——非洲大陆北部沙漠和从苏丹延伸到塞内加尔的中央森林之间的狭长地带——农村社区几乎没有收入来源和简陋的基础设施。

“(为了获得能源)，人们烧木头。木材和树木对它们的生存非常重要，”Bielenberg解释道。凡是木材不能作为燃料的东西，人们都依赖于柴油发动机、发电机或人力。

在收入机会稀少的地方，柴油机器价格昂贵。一台2.5千瓦的小型柴油发电机运转一天大约需要10美元的燃料成本。因此，人们尽量减少燃料的使用，以节省资金用于不可避免的开支，如医药、服装和学费;他们尽可能多地依靠自己的劳动来做到这一点。

Bielenberg解释说:“在拥有柴油磨坊的村庄，很大一部分妇女更喜欢手工碾磨玉米，以避免机械化碾磨的成本。”“这表明，对于低收入女性来说，体力劳动可能比柴油动力更便宜。”

Bielenberg强调需要可获得的、低成本的电力类型，以及能够在社区内提供收入机会的解决方案，特别是为妇女提供的解决方案。

更小的蒸汽机

Bielenberg在西非工作了40年，并在美国长期从事发电工作，因此获得了利用生物质作为欠发达地区能源的机会。在美国，他以代表他所谓的“以使命为基础的公司”谋生，该公司生产商业规模的生物质锅炉厂。

“这些植物的主要市场是新英格兰，那里冬季漫长，生长季节短，我们有大量的木材。我们把它们放在学校和医院里，它们为大型建筑提供非常便宜的暖气和热水。”“这是一项非常令人兴奋的技术，在规模缩小时具有成本效益。”

的贵宾人类可利用的能量输出有三种形式:机械能、电能和热能。机械能可以用来驱动机器，也可以通过机器的发电机转换成电能。最初的7千瓦原型蒸汽机吸收了生物燃料火中60%的热量，其中约8%可用于动力或电力。

最新版本的VIP是一台10千瓦的机器，可以捕获70%的火灾热量，其中大约10%可以转化为电能。它每天运行8小时，可以产生80千瓦时的电力，足够为100到200个家庭提供低瓦数照明和小型冰箱等基本电器的电力。它还可以取代每天32至40美元的柴油成本。

剩余60%的捕获能量可以作为热量用于公共沐浴、烹饪、作物加工或干燥或医疗灭菌等应用。

Bielenberg说:“这听起来像是一笔糟糕的交易，我们得到的热量比电力多，但在我们正在研究的应用中，[比如]作物加工和医疗保健，对热量的需求实际上大于对电力或电力的需求，所以这基本上是一个非常好的平衡。”

与其他技术相比，VIP的一个关键优势是它的能量可以随时分配。例如，光伏太阳能需要备用电池才能在夜间或恶劣的天气条件下运行。

为了让资源稀缺的社区获得蒸汽动力能源，Bielenberg和他的团队对他们的灵感模型进行了重大的设计修改。传统的蒸汽机有复杂的连杆和操作阀门的机构，这增加了机器的复杂性和成本。但由于很难找到专家在偏远社区进行维护，VIP必须在设计上简单，使用最小的活动部件。

Bielenberg团队设计的解决方案是安装自动式进口阀门。他解释说:“这些都是加压的，完全可以自己操作，完全可以做它们需要做的事情，而不需要任何外部机制来移动它们。”

另一个重要的设计修改是vip的运动部件不需要任何润滑剂。在标准的蒸汽机中，操作人员必须用油来润滑活塞和活塞环，以使发动机平稳运行。Bielenberg想要取消润滑剂有两个原因:一是油会增加成本;二是活塞用的润滑油会与蒸汽混合，在将冷凝水循环回锅炉之前必须过滤掉——这是一个额外的复杂性。否则，油就会在锅炉内部燃烧，降低效率。

作为一种解决方案，VIP团队使用碳石墨材料作为活塞和活塞密封的滑动面。由这种晶体形式的碳制成的活塞和密封件具有自润滑功能。这使得在许多地方稀缺资源的水可以很容易地通过机器循环利用。

VIP设计的最后一个改进是其坚固的锅炉。在水压试验中，使用加压水来评估锅炉性能，该机器的安全系数已被证明比普通美国锅炉高出三倍。这是Bielenberg勤奋工作的结果，以确保锅炉达到或超过ASME锅炉规范——一套严格的开云全站app登录官网入口下载标准，围绕商业化蒸汽发电的出现形成。

所有这些调整使机器更高效、更安全、更紧凑。然而，vip仍然是一件笨重的设备:完成的设备重约一吨。

目前，所有vip产品都是在新英格兰手工制造的，并在到达目的地后随时准备操作。每个单元都是一个整体，可以在皮卡上移动，并固定在棚子内的混凝土板上。一旦VIP装置就位，操作人员所要做的就是为其提供燃料和水，然后开始使用。

手工制作VIP设备距离目标市场如此之远存在缺陷，尤其是在成本方面。目前这种机器的生产成本约为2万美元。随着该公司采用成本更低的制造方式，并增加产量，预计价格将降至1.5万美元左右。

相比之下，柴油发电机组可以匹配VIP的电力输出成本从4000美元到10000美元不等(不包括持续的柴油燃料成本)。比伦伯格承认:“所以我们的成本大约是它的两倍。”

再加上到非洲港口的运输成本(每台机器约2500美元)，从港口到最终地点的运输成本为100至500美元，安装成本最高可达300美元，对于低收入的农村社区来说，VIP变成了一件相当昂贵的设备。

团队承认，解决方案必须有可行的融资选择。但他们也预计，当最终定价确定后，VIP将具有与其他可用技术相比的成本竞争力。(维普公司声称，这种机器已经可以与同等规模的太阳能系统竞争。)Bielenberg估计，如果发动机每天运行8到10个小时，机器将在一到两年内收回成本。

绩效证明

2014年底，VIP开始对其设备进行现场测试，以评估该技术的哪些方面运行良好，哪些方面需要改进。美国国际开发署2013年“农业动力”奖的赠款资助下，5台7千瓦的测试版原型机组被送往非洲:两台送到坦桑尼亚，为一家医院和一个村庄的微电网供电，3台送到贝宁的可持续油棕种植园。在坦桑尼亚，医院安装的装置旨在为抽水和洗衣供暖提供电力，而村庄安装的装置预计将为50个家庭和一些小企业供电。在贝宁，这些装置旨在取代柴油和木柴，为农业加工机械提供动力，并供应热水。

医院和油棕榈厂的重要成员正在分别使用咖啡壳(干燥物)和油棕榈纤维和棕榈仁壳进行燃料测试，而村里的工厂正在使用从种植园种植的桉树上砍下的废木材进行测试。

除了在非洲的五个测试单元，贵宾在新罕布什尔州的一家国营疗养院安装了两台50千瓦的机组。这些机组构成了一个综合离网系统的一部分，该系统还包括水力发电机组和柴油发电机组。这些机组从5毫米Btu梅瑟史密斯锅炉厂接收蒸汽，该锅炉厂部分由Bielenberg开发。新罕布什尔州的装置凸显了这项技术的广泛应用和在富裕社区的潜在用途。

通过现场试验，研究小组希望更多地了解VIP在输入不同类型的燃料时是如何工作的，以及各种燃料产生多少灰分，以及它们是否会腐蚀锅炉的传递表面，或粘附在炉膛的热表面上导致炉膛的“结渣”。这些试验也是评估该技术对不同燃料的适应性的一种方式，以确定该技术最适合在哪里使用。

到目前为止，VIP收集到的大多数结果都是轶事，但仍有深刻的见解。例如，该团队正在解决的问题之一是为机器安装自动馈电控制和电池充电。其他反馈显示，机器的某些方面比最初估计的要好。

“很多人认为，这是一台手动机器会是个问题，”他说费利西蒂小屋他是VIP的CEO。“事实上，人们很高兴它是手动的，因为他们不必担心更换无法使用或无法修复的部件。他们很高兴这个装置可以在一个小时内用两个扳手拆卸和组装。”

她补充说，像他们在非洲所服务的低资源市场的技术有时可能过于复杂。“一旦断了，就断了。这不是我们的设计。这是有意为之，使VIP易于维修和维护。”

最令人惊讶的反馈之一是，机器能够最大限度地减少木材作为日常燃料来源的能力。比伦伯格和洛奇都认为，农民和村民会对柴油节省的成本感到最兴奋。洛奇说:“但事实证明，大幅减少木材消耗对他们来说同样重要，甚至更重要。”

这是一个重要的标志，表明该技术未来将成为一种有效和可持续的能源。不难想象，一个强大的、以生物燃料为燃料的发电厂会如何导致破坏性的环境行为，如砍伐森林，以保持社区的供暖和照明，并跟上经济增长的步伐。但与此相反，Bielenberg认为，当地VIP的存在实际上可以鼓励重新造林，激励农民以可持续的方式种植树木以供燃料使用，而不仅仅是为了生存而砍伐木材。

VIP团队还没有公布机器每公斤生物质材料能产生多少千瓦时的电力的定量数据，但他们正在分析多种燃料来源的这些数据。初步测试显示，当VIP的锅炉压力在250到300 psi之间运行时，每小时需要25到30公斤的风干木材才能产生7千瓦的功率。“新一代VIP”于2015年12月推出，“设计的工作压力最高可达400psi。我们观察到，随着压力的增加，功率和效率有了很大的提高，预计新机组在相同油耗的情况下可以产生10千瓦的功率。”

由早期创业支持公司提供投资资金因素(E)合资企业在美国，被称为V-10的新机组包括几项改进，例如设计了一个新的锅炉ASME代码，焊接管道连接和更强的内部发动机部件，以适应增加的压力和功率。新装置的市场试验将于2016年在肯尼亚和加纳开始。

闭合循环

在坦桑尼亚的村庄里贵宾单元被用于为微电网供电，电网启动和运行的过程教会了VIP团队很多关于他们发明的潜力和局限性。在村子里，他们发现一个社区正在等待政府将他们连接到国家电网，尽管坦桑尼亚的电网只覆盖了近5000万公民中的14%。(大多数用户都在城市里。)正因为如此，村民为电力付费的意愿有限，尽管政府的连接速度一直很缓慢。

那些认识到电网不太可能很快到达他们的人更愿意为电力付费，只要他们可以通过长时间运行电源来支持白天的生产性活动来降低成本。

“人们很高兴这个装置可以在一个小时内用两把扳手拆卸和组装。”

VIP团队因此了解到，要使微电网系统工作，这些应用程序必须从第一天起就可用，而且还必须有一个明确的流程来为家庭用电计费。使技术工作到这一水平所需的成本和计划可能超出了一些VIP的预期客户的管理能力。

Bielenberg和Lodge认识到，无论是微电网还是任何其他应用，VIP单元的前期成本都对其可扩展性构成了挑战。洛奇说:“许多农民面临的一个大问题是融资，因为他们不容易从银行或其他传统提供者那里获得融资。”“我们正在研究不同的融资模式，以及如何解决这个问题。”

一种解决方案是帮助社区开发类似于能源服务公司或合作社的融资模式，在这种模式下，成员可以齐心协力购买一台机器。他们还希望利用成功的社区成员的兴趣，帮助他们的家乡获得更好的资源。

洛奇说:“在非洲，那些离家出走并取得成功的人传统上有责任帮助他们的村庄和家庭。”

别伦伯格补充说:“我认为他们最终应该为自己国家的经济发展负责。他们有实现这一目标的资源，但他们没有充分参与，因为(经济发展所需的)技术还没有到位。”

比伦伯格亲眼目睹了参与的影响力。去年4月，在前往贝宁的旅途中，比伦伯格和他的马里司机谈到了他在VIP上的工作。司机主动提出协助在Sakete安装这三台设备。他来帮忙卸载机器，并管理安装机器的每个人;他还学会了如何服务和经营它。他告诉别伦伯格，退休后，他希望在马里的村庄里有一位贵宾。

比伦伯格回忆道:“他还说:‘这是一种你永远不会完全了解其果实的东西，因为在你离开后很长一段时间，果实还会继续积累。’”

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编者注:需求:ASME《全球发展评论》在发表了全球发展中最有趣的设计、工程和社会风险的报道六年之后关闭。开云全站app登录官网入口下载这本半年度杂志是全球发展写作的主要来源，也是《工程变革》的姐妹刊物。开云全站app登录官网入口下载开云体育体育赛事为了向“按需传媒”和专家们的工作致敬，我们在这个网站上转载了“按需传媒”的文章和图片。

这篇文章是由需求特约编辑莎拉Goudarzi．

标签:需求，能源解决方案，低成本的能源