小型蒸汽机多少钱一台（重新发明蒸汽机）

卡尔·比伦伯格(CarlBielenberg)从工业革命的技术创新中获得灵感，以减轻全球能源贫困。看一看夜间地球的卫星图像，可以发现很多关于世界能源不平等的信息。欧洲、美国和中东地区闪耀着耀眼的光芒。日本、东南亚的大部分地区、加拿大南部以及

卡尔·比伦伯格 (Carl Bielenberg) 从工业革命的技术创新中获得灵感，以减轻全球能源贫困。

看一看夜间地球的卫星图像，可以发现很多关于世界能源不平等的信息。欧洲、美国和中东地区闪耀着耀眼的光芒。日本、东南亚的大部分地区、加拿大南部以及南美洲和澳大利亚人口稠密的沿海地区都是如此。但非洲——除了炽热的约翰内斯堡和几个闪烁的城市中心——是黑暗的。

根据 国际能源署的数据，全世界约有 13 亿人无法用上电。他们中几乎有一半生活在撒哈拉以南非洲地区的偏远小社区，那里有近 10 亿人口。尽管许多非洲国家的经济增长迅猛，但无法获得现代能源服务的人数仍在增加，因为基础设施扩张无法跟上城市发展的步伐。事实上，由于能源服务成本高、增长缓慢，过去 40 年来，非洲“联网”人口（包括城市和农村）的百分比几乎没有变化。

这几乎是 Carl Bielenberg 一直在寻找在非洲创造负担得起的电力的方法的时间。在 1980 年代，机械工程师正在探索如何使用植物油作为柴油燃料的低成本替代品，柴油燃料当时为大多数农村机械提供动力。他正在开发的技术没有一项被证明具有他希望的成本效益，所以他又回到了绘图板上。回来了。

“我开始问为什么我们拒绝蒸汽，”比伦伯格反映道。“蒸汽是推动工业革命的动力源。为什么我们不应该在非洲使用它？”

蒸汽机简史

在 18 世纪中叶和 19 世纪之间，大多数工厂、船舶和火车都由蒸汽机提供动力。这项技术很简单：锅炉——基本上是一个下面有火的罐子或容器——通过加热水产生蒸汽。在锅炉内产生大量蒸汽会产生可用于推动运动和进行工作的压力。

直到 19 世纪末，蒸汽机通过在锅炉中对活塞施加压力来产生可用的电力，活塞开始移动时会引发连锁反应。该运动将旋转连接的轴，例如，当连接到机车的车轮或船舶的螺旋桨时，该轴可用于驱动机械设备。或者它可以通过转动发电机来发电。这是一个简单的过程，蒸汽机是极其可靠且经久耐用的机器。事实上，蒸汽机工作长达 75 年且不经常维护的情况并不少见。

在过去的 40 年里，非洲的能源获取几乎没有变化。

蒸汽机的缺点是体积大、重量大且资本密集。随着时间的推移，随着化石燃料和内燃机的使用越来越广泛，蒸汽机的竞争力下降。因此，当比伦伯格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。

“并不是说他们不知道在 19 世纪他们需要做什么来提高效率。在其大约百年的使用历史中，他们做了很多工作，”比伦伯格说。“但我们已经能够使用他们没有的材料更进一步。”

2008 年，比伦伯格使用现代材料和增强的热力学，设计了一个小型的、以生物质为燃料的蒸汽动力工厂，将木材和农业废弃物转化为可用能源。他将原型装置和他开始将其商业化的企业称为 乡村工业电力，或简称为 VIP。

生物质依赖

比伦伯格说，利用生物质作为一种强大而高效的能源，在贫困的离网社区中可能会改变游戏规则，在那里，自然物质占总能源使用量的 75% 至 80%。百分比如此之高的部分原因是因为在传统的明火中燃烧了大量生物质，这是一种低效的供热方式。

比伦伯格认为，为了缓解能源贫困，有必要了解人们已经在使用的燃料，以了解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在经济上进步和提高生活水平的机会，而不必依赖昂贵的进口燃料。这是一个非常强大的范例，”他说。

正如其名称中的“村庄”部分所暗示的那样， VIP无疑为这种范式变革提供了强大的力量。该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已经过测试。

从地理上讲，VIP 的目标市场包括欠发达国家，在这些国家，该技术可以替代那些依赖昂贵燃料来源的功能，如柴油，在非洲大部分地区，柴油成本约为每升 1 美元。由于 VIP 是生物质燃料，因此该技术仅适用于生物质资源丰富的地区，而不是沙漠或树木稀少或植被稀少的地区。最理想的区域位于赤道 10 到 30 度之间。

在非洲偏远的萨赫勒地区——非洲大陆北部沙漠和从苏丹到塞内加尔的中央森林之间的地带——农村社区几乎没有收入来源和基本的基础设施。

简单生物质能源的效率

“[对于能源]，人们烧木头。木材和树木对它们的生存非常重要，”比伦伯格解释道。对于木材不能作为燃料的一切，人们依靠柴油发动机和发电机或人类的肌肉力量。

在收入机会稀缺的地方，柴油机价格昂贵。运行一整天的小型 2.5 千瓦柴油发电机会产生大约 10 美元的燃料成本。因此，人们试图尽量减少燃料的使用，以节省现金以支付医药、衣服和学费等不可避免的费用；他们通过尽可能依靠自己的劳动来做到这一点。

“在拥有柴油动力谷物碾磨机的村庄中，很大一部分妇女更愿意用手捣碎玉米，以避免机械化碾磨的成本，”比伦伯格解释道。“这表明，对于低收入女性来说，体力劳动可能比柴油动力便宜。”

比伦伯格强调需要可获得的、低成本的电力类型，以及能够在社区内提供创收机会的解决方案——尤其是对女性而言。

较小的蒸汽机可以

通过在西非 40 年的工作和在美国的长期发电生涯，比伦伯格有机会利用生物质作为欠发达地区的能源。在美国，他代表一家制造商业规模生物质锅炉厂的“使命型公司”谋生。

“这些植物的主要市场是新英格兰，那里的冬天很长，生长季节很短，而且我们有很多木材。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热量和热水，”他说。“这是一项在规模缩小时非常令人兴奋且具有成本效益的技术。”

VIP 10千瓦机效率

的 VIP的可用能量输出有三种形式：机械，电和热。机械能可用于驱动机器或通过机器的发电机转换为电能。最初的 7 千瓦原型蒸汽机从生物质燃料中吸收了 60% 的热量——其中约 8% 可用于发电或电力。

VIP 的最新版本是一台 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。每天运行 8 小时，它可以产生 80 千瓦时的电力，这足以为 100 到 200 个家庭提供低瓦数照明和基本电器（如小冰箱）的电力。它还可以替代每天 32 至 40 美元的柴油成本。

剩余 60% 的捕获能量可用作公共洗浴、烹饪、作物加工或干燥或医疗保健消毒等应用的热量。

“我们获得的热量多于电力，这听起来很糟糕，但在我们正在研究的应用中，[例如] 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，所以它本质上是一个非常好的平衡，”比伦伯格说。

与其他技术相比，VIP 的一个关键优势是它的电力可以随时轻松调度。例如，光伏太阳能需要备用电池在夜间或恶劣天气条件下运行。

为资源稀缺的社区提供蒸汽动力能源需要比伦伯格和他的团队对其鼓舞人心的模型进行重大设计修改。传统的蒸汽机具有复杂的连杆机构和操作阀门的机构，这增加了机器的复杂性和成本。但 VIP 的设计必须简单，移动部件最少，因为很难找到专家在偏远社区进行维护。

Bielenberg 的团队设计的解决方案是安装自作用入口阀。他解释说：“这些都是加压的，可以自行操作，完全可以完成它们需要做的事情，而无需任何外部机构来移动它们。”

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。在标准蒸汽机中，操作员必须使用油来润滑活塞和活塞环，以使发动机平稳运行。比伦伯格想要取消润滑剂有两个原因：一是因为油会增加成本，二是因为活塞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- 一个额外的复杂性。否则，油会在锅炉内部燃烧并降低其效率。

作为解决方案，VIP 团队将碳石墨材料用于活塞和活塞密封件的滑动表面。由这种碳的结晶形式制成的活塞和密封件是自润滑的。这使得水——在许多地方都是一种稀缺资源——可以通过机器轻松回收。

VIP 设计的最后一项改进是其坚固的锅炉。在使用加压水评估锅炉性能的静水压测试中，该机器的安全系数已被证明是普通美国锅炉的三倍。这是比伦伯格 (Bielenberg) 勤奋的工程设计的结果，以确保锅炉符合或超过 ASME 锅炉规范——一套严格的标准，是围绕商业化蒸汽发电的出现而形成的。

所有这些改进都使机器更加高效、安全和紧凑。然而，VIP 仍然是重量级的设备：完成的单元重约一吨。

目前，所有 VIP 均在新英格兰手工制造，并运往最终目的地，准备在抵达时运行。每个单元都作为一个整体建造，可以在皮卡车上移动并用螺栓固定在棚屋内的混凝土垫上。一旦 VIP 装置就位，操作员所要做的就是为其提供燃料和水以开始使用它。

到目前为止，手工制作 VIP 单元的缺点是远离目标市场，尤其是在成本方面。这些机器目前的生产成本约为 20,000 美元。随着公司采购低成本制造并增加产量，预计价格将降至 15,000 美元左右。

相比之下，能够匹配 VIP 电力输出的柴油发电机组的成本从 4,000 美元到 10,000 美元不等——不包括持续的柴油燃料成本。“所以我们的成本大约是制造成本的两倍，”比伦伯格承认。

加上运送到非洲港口的成本，每台机器大约需要 2,500 美元，从港口到最终站点的运输费用为 100 到 500 美元，安装费用高达 300 美元，VIP 成为非常昂贵的设备收入，农村社区预付。

该团队承认必须有融资选择才能使解决方案可行。但他们也预计，当最终定价确定后，VIP 将与其他可用技术相比具有成本竞争力。（VIP 声称该机器已经与同等规模的太阳能系统竞争。）比伦伯格估计，如果发动机每天运行 8 到 10 小时，机器将在一到两年内收回成本。

示范项目的证明

2014 年底，VIP 开始对其装置进行现场测试，以评估该技术的哪些方面运行良好，哪些方面需要改进。在美国国际开发署 2013 年“推动农业”奖的资助下，五台 7 千瓦 Beta 原型机组被送往非洲：两台用于为坦桑尼亚的医院和村庄微电网供电，三台用于为贝宁的可持续油棕种植园供电。在坦桑尼亚，该医院装置旨在为抽水和洗衣取暖提供电力，而该村装置预计将为 50 户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 VIP 分别使用来自咖啡壳（羊皮纸）和油棕纤维和棕榈仁壳的燃料进行测试，而乡村工厂正在使用来自人工林种植的桉树的废弃木材进行测试。

除了非洲的五台测试机组外， VIP 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集成离网系统的一部分，该系统还包括水力发电和柴油发电机组。这些装置接收来自 5 毫米 Btu Messersmith 锅炉厂的蒸汽，部分由 Bielenberg 开发。新罕布什尔州的安装突出了该技术在富裕社区中的广泛应用和潜在用途。

通过现场试验，该团队希望更多地了解 VIP 在喂入不同类型的燃料时如何发挥作用，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导致“结渣”通过粘附在炉子的热表面上。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，以确定它最适合在何处使用。

到目前为止，VIP 收集的大部分结果都是轶事，但仍然很有见地。例如，该团队正在解决的问题之一是为机器安装自动进料控制和电池充电。其他反馈表明，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这一事实将是一个问题，” VIP 的首席执行官Felicity Lodge 说。“事实上，人们很高兴它是手动的，因为他们不必担心更换他们无法接触或无法修理的零件。他们很高兴可以用两个扳手在一个小时内拆开并组装该装置。”

她补充说，像他们在非洲所服务的那样的低资源市场的技术有时可能过于复杂。“一旦它们坏了，它们就坏了。这不是这里的设计。有意使 VIP 可维修且易于维护。”

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。比伦伯格和洛奇都相信农民和村民会对柴油的成本节约感到最兴奋。“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，”洛奇说。

VIP 输入输出循环

这是该技术作为一种有效且可持续的能源的未来的重要标志。不难想象一个强大的、以生物质为燃料的电力生产商如何导致破坏性的环境行为，如森林砍伐，以保持社区取暖和照明并跟上经济增长的步伐。但相反，比伦伯格认为，VIP 在当地的存在实际上可以通过激励农民可持续地种植树木作为燃料，而不是仅仅为了生存而采伐木材，从而鼓励重新造林，他说。

VIP 团队尚未发布有关机器每千克生物质材料可产生多少千瓦时电力的定量数据，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 至 300 psi 之间运行时，每小时需要 25 至 30 公斤风干木材才能产生 7 千瓦的电力。“下一代 VIP”——于 2015 年 12 月推出——“旨在以高达 400 psi 的压力运行。我们已经观察到随着压力的增加，功率和效率有了很大的提高，预计新装置在相同的燃料消耗下能产生 10 千瓦的功率，”比伦伯格说。

在早期风险支持公司 Factor(E) Ventures 的投资资金下，新装置——被称为 V-10——包括多项改进，例如按照ASME 规范设计的新锅炉 、焊接管道连接和更坚固的内部发动机部件以适应增加的压力和力量。新装置的市场试验将于 2016 年在肯尼亚和加纳开始。

关闭循环

在VIP 单元用于为微电网供电的坦桑尼亚村庄， 启动和运行电网的过程让 VIP 团队了解到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仅覆盖了其近 5000 万居民的 14%。（其大部分联网用户都在城市。）因此，即使政府的联网步伐缓慢，村民支付电费的意愿也很有限。

那些认识到电网不太可能很快到达他们身边的人更愿意为电力支付费用，前提是他们可以通过运行更长时间的电源来支持生产性白天活动来降低成本。

“人们很高兴可以用两个扳手在一个小时内拆开并组装该装置。”

VIP 团队因此了解到，要使微电网系统正常工作，这些应用程序必须从第一天起就可用，并且还必须有一个明确的流程来为家庭使用的电力计费。使技术达到这一水平所需的成本和规划可能超出 VIP 的一些目标客户所能承受的范围。

Bielenberg 和 Lodge 认识到 VIP 单元的前期成本，无论是用于微电网还是任何其他应用，都对其可扩展性构成挑战。“对于很多农民来说，一个大问题是融资，因为他们无法轻易从银行或其他传统供应商那里获得融资，”洛奇说。“我们正在研究不同的融资模式以及我们如何解决这个问题。”

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，成员会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。

“在非洲，那些前程似锦的人传统上有责任帮助他们的村庄和家庭，”洛奇说。

比伦伯格补充道：“我认为他们最终应该为国家的经济发展负责。他们拥有实现这一目标的资源，但他们尚未充分参与，因为 [经济发展所需的] 技术尚未可用。”

比伦伯格亲眼目睹了参与的影响力。去年四月去贝宁旅行时，比伦伯格与他的马里司机谈论了他在 VIP 上的工作。司机主动提出协助在 Sakete 安装三个单元。他来帮忙卸下机器并管理安装它的每个人；他还学会了如何维护和运行它。他告诉比伦伯格，退休后，他想在马里的村子里有一位贵宾。

比伦伯格反思道，“他还说：‘这是你永远无法完全了解其果实的东西，因为果实会在你离开很久之后继续积累。’”

本文由特约编辑 Sara Goudarzi 撰写。 编译 陈讲运