使用热力学和100年历史的技术突破每兆瓦时20美元的壁垒

这是我们痴迷于清洁技术的常规读者之一David Fuchs的来宾帖子。显然，戴维（David）认为自己在做些大事。享受这篇文章！

多年来，能源的生产使我着迷。在过去的20年中，我尝试了通过喷墨打印机制造的太阳能电池，基于特斯拉涡轮的液压耦合式压缩机和涡轮，垂直风力涡轮，水的高温裂解，高COP热泵，斯特林的所有不同品种发动机和许多其他能源项目。不断地回到旧项目以逐步改进它们并使它们变得完美一直很有趣，除了完美是完成的敌人。

桑迪飓风过后，新泽西州长达一周的停电使我意识到，我们需要简单，可扩展，便宜且本地生产的电源。消除所有干扰，让德国血统的工程师每周思考一下问题，通常就可以解决问题。用我过去所有的Stirling设计，几个记事本，我最喜欢的中性笔，一块干擦板和一些参考书拿出7口袋扩展文件后，我开始设计。与任何工程项目一样，您需要描述要完成的工作以及限制因素。由于成本限制，工程始终是折衷方案。

目标是什么？永远在线（24 x 7 x 365）的电源，生产成本低廉，可以使用容易获得的材料进行批量生产，可以在任何国家使用1950年代或更早的技术制造，并且使用寿命超过20年年份。（听起来很简单，不是吗？）

设计标准是什么？

低温差动（LTD）基于斯特林的设计。所有零件必须设计用于高速制造和组装。所有使用的材料必须便宜且易于获得。斯特林设计必须具有尽可能少的磨损点。用于收集能量的太阳能热板太阳能板必须易于以自动化方式生产，必须具有便宜（便宜）的储能装置，必须连续产生至少3 kW的功率（24 x 7 x 365 x 20）。在一年中最少的晴天，它每天必须能够收集24小时所需能量的2到3倍。（NREL太阳辐射手册）它必须能够在无能量输入的情况下连续存储3至5天所需的能量，任何具有基本机械技能的人都应能够安装该系统。 ）必须低于$ 20 / MWh。

基本系统布局。

半Steampunk能量流程图

该系统布局图像表示单个部件，并且能量在单个部件之间流动。流量控制器控制组件之间的热量分配。

该系统包含六个主要组件：

用于收集能量的太阳能热电池，用于存储能量（污垢或水）的绝热材料，用于处理废热的散热器，用于产生能量的LTD斯特林发动机，用于流体流动的流量控制器，以防止能量损失逆变器可连接到电网，并将发电机的直流电转换为可在房屋和电网中使用的交流电。

每个组件都设计为尽可能便宜，模块化，易于更换且可大量生产。

太阳能热板以热量的形式吸收太阳的能量。太阳能热板的平均价格为每平方米150美元。挤出塑料外壳板可以将成本降低到每平方米33-47美元，效率略低。

Thermal Mass是一种奇特的工程方式，它是“绝缘的一堆污垢或一桶水”。这用于存储通过太阳能电池板吸收的热量。这样做的成本差异很大。它可以用干草捆并用塑料包裹起来（〜600美元），四个装满水或沙子的2,500加仑水箱（〜4,700美元），一个9 x 20的运输容器绝缘并充满灰尘或沙子（ 〜$ 1,100 USD），或在地上的绝缘洞（〜$ 800 USD）。这包括铝管的成本，从每磅1.50美元到2.00美元不等。应该有多个热块或单个热块内的区域，每个热块依次填充至热饱和。

流量控制器用于在每个组件之间传输液体。它的设计目的是在系统中保留尽可能多的热量，并尽可能多地重复利用剩余的热量。当系统能量饱和或没有其他选择时，它将通过散热器倾倒能量。不同温度下的多个热质量或区域以及一天中不同时间的外部温度使余热再利用成为从系统中提取尽可能多能量的有效方法。这将花费$ 150到$ 300 USD。

散热器用于散发系统中的废热，或在系统饱和时用作散热器。它可以是标准的铝翅片散热器和风扇，冷的水体，地上的孔或沟，以及通入或穿过该管道的管道，或其他温度较低的物体。成本因散热器的类型而异。

LTD Stirling是该系统的关键。该设计使用两个单独的加热和冷却室（上部和下部）和一个共享活塞。体积为9立方英尺（68加仑）。它具有500平方英尺的散热器表面积（一个大型两车库的地板面积）。它高6.5英尺，宽3.5英尺，深3英尺。它可以垂直安装或机架安装。它被设计为产生高达6 kW的功率，但将以3-4 kW的功率运行以提高效率。这些单位越大，辐射表面积越大。他们运行的越慢，就越能达到卡诺效率。完整的设计规格可在此处获得。这些单元可以菊花链方式连接在一起。该设备的价格在$ 180到$ 350美元之间。

电网同步逆变器使您可以连接到电网。这些现在是商品，根据制造商的不同，UL列出的5 kW单元的价格从1,000美元到2,500美元不等。

系统成本基于位置和一年中最不晴朗的月份的可用kWh / m ^ 2 /天（每平方米平方米的千瓦时），对我而言，即12月。根据NREL太阳辐射手册，我在纽约市以南50英里处的位置，即1.9 kWh / m ^ 2 /天。在一年的时间内，功率在1.9 – 6.2 kWh / m ^ 2 / day之间变化很大。

在24小时内以3％的效率连续输出3 kW功率，要求我们收集240 kWh来产生该系统在一天的时间内将产生的72 kWh。我们的设计准则之一是，我们收集给定一天所需功率的2 – 3倍。为了安全起见，您向北走的越远，倍数应该越高。对于我所在的位置，对于德克萨斯州1.9 – 2，对于缅因州3.0，为2.5。

面板成本600 kWh = 2.5 x 240 kWh 315.78平方米= 600 kWh / 1.9 kWh / m ^ 2 /天$ 10,428 = 315.78平方米* $ 33每平方米

其他费用$ 1,100 –热质量（运输容器或地面上的绝缘孔）$ 250 –流量控制器$ 200 –散热器$ 250 – LTD Stirling $ 1,500 –电网同步逆变器

$ 13,728 —零件总成本

注意：这些计算都没有考虑通过将能量循环到较低温度下的其他区域或热物质中而对收集到的能量进行再利用和回收。（IE 90 C –> 60 C –> 30 C –>散热器，其中“ –>”是LTD Stirling，温度属于不同的区域或热质量）。以上是最坏情况的计算。

基于太阳能的LTD斯特林的热力学效率根据一年中的时间和一天中的时间（基于外部（散热器）温度）而变化。不是卡诺（Carnot）休假（eff not = 1 – tc / th）。正是温差改变了，改变了效率。温差越大，发动机的效率越高。在夏季，您的能源过多（冬天的3倍），并且由于热源和散热器（外部空气）之间的温差低，效率差（5％-15％）。在冬季，由于热源和散热器之间的温差高，因此效率很高（15％-30％）。这使系统能够在冬季以较少的能量输入更有效地发电。它在工作中与直观和热力学相反。

基于同一时间段内新泽西州纽瓦克的日常数据设计系统，同时考虑到能源回用和智能能源管理，我们可以将倍数减少到2个，仅需要288 kWh的面板，从而减少面板成本为$ 5002.10美元，系统成本为$ 8302美元。随着规模经济和替代生产技术的发展，面板（1）的热效率得到提高，进一步降低成本是可能的，系统成本又降低了约3,000美元，使系统成本约5500美元。在南部各州，例如FL，TX，AZ，CA南部，成本会更低。

一天中的总能源输出为72千瓦时。使用寿命为25年，总输出功率为……

657,000 kWh = 25年* 365天* 24小时* 3 kWh

在斯特林的整个寿命期内产生的总电能为657兆瓦时。

平准化的能源成本或LCOE基本上是指在其使用寿命内的发电厂，燃料和维护成本（减去补贴），由发电机使用寿命内所产生的总能量来弥补。

第一个非优化设计的LCOE为$ 13,728 / 657 MWh或$ 20.89 USD / MWh。略微优化可使LCOE达到$ 8,302 / 657 MWh或$ 12.66 USD / MWh。考虑到规模经济，自动化，房屋建筑技术，降低制造中的能源成本以及本文没有余地的其他因素，LCOE将提高至$ 5,500 / 657 MWh或$ 8.37 USD / MWh。

概要

将目前约100美元/兆瓦时的能源成本与基于100-200年历史的技术进行重新设计的系统进行比较，结果表明，采用当今可用的技术，每兆瓦时的能源成本可能低于20美元。它还表明，具有少许创造力的可再生能源可以比化石燃料便宜得多。

David Fuchs是一位受过经典训练的工程师和程序员。他从事开源，软件和硬件方面的工作。当前兴趣：3d打印和纳米技术，预测技术的未来，以及使用现有材料的发展中国家的低成本电力生产。您可以查看他的网站以获取更多他的作品，也可以通过Google +与David联系