一种基于微细尺度燃烧的两级热光伏热电能源转化装置

技术领域

本发明涉及微燃烧动力系统装置技术领域，特别涉及一种基于微细尺度燃烧的两级热光伏热电能源转化装置。

背景技术

随着微机电系统(MEMS:micro-electro-mechanical systems)技术的快速发展，各种微机电装置层出不强，且被广泛应用于通信、航天航空、地址勘探、微型机器人、设备检测等众多军事和民用领域。然而，在机电设备的微型化进程中，传统的化学电池(如锂电池、铅酸电池、镍氢电池等)都无法满足机电设备的长时间运转需求，同时存在着环境污染、难以二次利用等问题，这些都大大制约了微机电设备的进一步发展。因此，开发出具有高能量密度、轻量化且能持续供给能量的动力源势在必行，这也迅速成为国内外科研工作者的研究焦点。微燃烧动力系统主要有三类：微燃烧热机系统(Micro engine)、微热光伏系统(MTPV system)和微热电系统(MTEG system)。热光伏系统是利用半导体材料的光生伏特效应将高温辐射源中的辐射能在回路中转变为电流，微热电系统是利用热电材料的Peltier–Seebeck效应在回路中将热能转变为电能。微热电系统的能量转化效率主要取决于热电材料自身的性质(Seebeck系数、电导率和导热率)以及热端和冷端之间的温度差。在微细尺度下，火焰的传播过程中存在着淬熄距离的限制、火焰传播过程中存在着一系列不稳定的火焰形态、以及在燃烧器中存在的吹熄极限等一些列不利于燃烧稳定的特性，这些都会导致微燃烧动力系统的能量输出低下。除燃烧室的燃烧性能外，微热光伏和微热电系统的能源转化效率还受到热光伏/热电材料的固有能源转化效率的限制以及工作温度等的影响。

发明内容

本发明提供了一种基于微细尺度燃烧的两级热光伏热电能源转化装置，在高温燃烧段采用热光伏模组，中低温段采用余热回收结合热电模组，采用余热回收室结合热电模组，能极大地减少热电系统中冷却装置对燃烧稳定性的影响，从而有效提高热电模组的温度差，实现热-电能量高效转化。

本发明提供了一种基于微细尺度燃烧的两级热光伏热电能源转化装置，包括微燃烧器(1)、发射器(2)、过滤器(3)、光伏电池(4)、热沉(5)、衔接装置(6)、余热回收室(7)、热交换器(8)、绝缘层(9)、第一导电片(10)、P型半导体(11)、N型半导体(12)、第二导电片(13)、绝缘层(14)和散热器(15)；

所述热沉(5)的一侧为锯齿状，所述热沉(5)上远离所述锯齿状的一侧为平面，所述光伏电池(4)和散热器(15)设置在所述热沉(5)平面的一侧，所述过滤器(3)设置在所述光伏电池(4)远离所述热沉(5)的一侧，所述绝缘层(14)设置在所述散热器(15)远离所述热沉(5)的一侧，所述第二导电片(13)设置在所述绝缘层(14)远离所述散热器(15)的一侧，所述P型半导体(11)和N型半导体(12)设置在所述第二导电片(13)远离所述绝缘层(14)的一侧，所述第一导电片(10)设置在所述P型半导体(11)和N型半导体(12)远离所述第二导电片(13)的一侧，所述绝缘层(9)设置在所述第一导电片(10)远离所述P型半导体(11)和N型半导体(12)的一侧，所述热交换器(8)设置在所述绝缘层(9)远离所述第一导电片(10)的一侧，所述余热回收室(7)设置在所述热交换器(8)远离所述绝缘层(9)的一侧，所述衔接装置(6)设置在与所述热交换器(8)相邻的一侧，所述衔接装置(6)用于连接所述余热回收室(7)和所述微燃烧器(1)，所述发射器(2)设置在所述微燃烧器(1)外表面。

进一步地，所述第二导电片(13)包括左侧导电片和右侧导电片，所述左侧导电片和右侧导电片之间具有第一缝隙。

进一步地，所述P型半导体(11)设置在所述左侧导电片远离所述绝缘层(14)的一侧，所述N型半导体(12)设置在所述右侧导电片远离所述绝缘层(14)的一侧，所述P型半导体(11)和所述N型半导体(12)之间具有第二缝隙，所述第二缝隙大于第一缝隙。

进一步地，所述P型半导体(11)和N型半导体(12)的高度相同。

进一步地，所述衔接装置(6)和余热回收室(7)均为圆柱体，且所述衔接装置(6)和余热回收室(7)的直径相同，所述余热回收室(7)的外圆周面与所述热交换器(8)相连接，所述微燃烧器(1)设置在所述衔接装置(6)远离所述余热回收室(7)的一侧。

进一步地，所述过滤器(3)、光伏电池(4)、热沉(5)、热交换器(8)、绝缘层(9)、第一导电片(10)、P型半导体(11)、N型半导体(12)、第二导电片(13)、绝缘层(14)和散热器(15)作为第一镜像体，所述微燃烧器(1)、发射器(2)、衔接装置(6)、余热回收室(7)作为镜像基准结构，所述第一镜像体基于所述镜像基准结构的中轴面形成第二镜像体，所述中轴面与所述微燃烧器(1)、发射器(2)、衔接装置(6)、余热回收室(7)的中轴线重合，且与所述热交换器(8)靠近所述余热回收室(7)的一侧平行。

进一步地，所述微燃烧器(1)尺寸在100毫米内，所述微燃烧器(1)外壁为所述发射器(2)。

进一步地，利用所述热沉(5)增强换热，其散热方式为自然空气对流。

进一步地，所述P型半导体(11)与N型半导体(12)至少一对。

本发明的有益效果为：

本发明提供的基于微细尺度燃烧的两级热光伏热电能源转化装置，在高温燃烧段采用热光伏模组，中低温段采用余热回收结合热电模组，从而有效提高热电模组的温度差实现热-电能量高效转化；由于采用余热回收室结合热电模组，能极大地减少热电系统中冷却装置对燃烧稳定性的影响。

附图说明

图1为本发明基于微细尺度燃烧的两级热光伏热电能源转化装置的主视图。

图2为本发明基于微细尺度燃烧的两级热光伏热电能源转化装置的左侧结构示意图。

图3为本发明基于微细尺度燃烧的两级热光伏热电能源转化装置的右侧结构示意图。

图4为本发明基于微细尺度燃烧的两级热光伏热电能源转化装置的电压分布云图。

图5为本发明基于微细尺度燃烧的两级热光伏热电能源转化装置的各部分功率输出图。

图6为本发明基于微细尺度燃烧的两级热光伏热电能源转化装置的各部分能量转换效率图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-3所示，本发明提供了一种基于微细尺度燃烧的两级热光伏热电能源转化装置，包括微燃烧器(1)、发射器(2)、过滤器(3)、光伏电池(4)、热沉(5)、衔接装置(6)、余热回收室(7)、热交换器(8)、绝缘层(9)、第一导电片(10)、P型半导体(11)、N型半导体(12)、第二导电片(13)、绝缘层(14)和散热器(15)；

所述热沉(5)的一侧为锯齿状，所述热沉(5)上远离所述锯齿状的一侧为平面，所述光伏电池(4)和散热器(15)设置在所述热沉(5)平面的一侧，所述过滤器(3)设置在所述光伏电池(4)远离所述热沉(5)的一侧。

所述绝缘层(14)设置在所述散热器(15)远离所述热沉(5)的一侧，所述第二导电片(13)设置在所述绝缘层(14)远离所述散热器(15)的一侧，所述P型半导体(11)和N型半导体(12)设置在所述第二导电片(13)远离所述绝缘层(14)的一侧，所述第二导电片(13)包括左侧导电片和右侧导电片，所述左侧导电片和右侧导电片之间具有第一缝隙，所述P型半导体(11)设置在所述左侧导电片远离所述绝缘层(14)的一侧，所述N型半导体(12)设置在所述右侧导电片远离所述绝缘层(14)的一侧，所述P型半导体(11)和所述N型半导体(12)之间具有第二缝隙，所述第二缝隙大于第一缝隙，所述P型半导体(11)和N型半导体(12)的高度相同，所述P型半导体(11)与N型半导体(12)至少一对。

所述第一导电片(10)设置在所述P型半导体(11)和N型半导体(12)远离所述第二导电片(13)的一侧，所述绝缘层(9)设置在所述第一导电片(10)远离所述P型半导体(11)和N型半导体(12)的一侧，所述热交换器(8)设置在所述绝缘层(9)远离所述第一导电片(10)的一侧，所述余热回收室(7)设置在所述热交换器(8)远离所述绝缘层(9)的一侧，所述衔接装置(6)设置在与所述热交换器(8)相邻的一侧，所述衔接装置(6)用于连接所述余热回收室(7)和所述微燃烧器(1)，所述发射器(2)设置在所述微燃烧器(1)外表面。

所述衔接装置(6)和余热回收室(7)均为圆柱体，且所述衔接装置(6)和余热回收室(7)的直径相同，所述余热回收室(7)的外圆周面与所述热交换器(8)相连接，所述微燃烧器(1)设置在所述衔接装置(6)远离所述余热回收室(7)的一侧。

所述微燃烧器(1)尺寸在100毫米内，不限于形状，所述微燃烧器(1)外壁为所述发射器(2)。

在一个实施例中，所述微燃烧器(1)、衔接装置(6)和余热回收室(7)均为圆柱体，且所述微燃烧器(1)、衔接装置(6)和余热回收室(7)的直径相同，所述余热回收室(7)的外圆周面与所述热交换器(8)相连接，所述微燃烧器(1)设置在所述衔接装置(6)远离所述余热回收室(7)的一侧，所述发射器(2)设置在所述微燃烧器(1)的外圆周面。

所述过滤器(3)、光伏电池(4)、热沉(5)、热交换器(8)、绝缘层(9)、第一导电片(10)、P型半导体(11)、N型半导体(12)、第二导电片(13)、绝缘层(14)和散热器(15)作为第一镜像体，所述微燃烧器(1)、发射器(2)、衔接装置(6)、余热回收室(7)作为镜像基准结构，所述第一镜像体基于所述镜像基准结构的中轴面形成第二镜像体，所述中轴面与所述微燃烧器(1)、发射器(2)、衔接装置(6)、余热回收室(7)的中轴线重合，且与所述热交换器(8)靠近所述余热回收室(7)的一侧平行。

所述微型燃烧器(1)的总长度、外径、入口直径、内径和步长分别为20毫米、5毫米、3毫米和4毫米。衔接装置的长度为2毫米。热沉(5)的高度、长度、厚度和宽度分别为4毫米、20毫米、0.5毫米和1毫米。余热回首室总长度、外径和内径分别为20毫米、5毫米和4毫米。其余的结构、尺寸和材料见表1。P型和N型半导体材料的热电性能如表1所示。

表1各结构尺寸材料表

其中，微燃烧器(1)燃烧采用预混氢气燃烧，当量比为1，进口速度为6m/s、7m/s、8m/s、9m/s和10m/s。通过商用软件ANSYS中的fluent模块与mechanical使用对以上工况进行模拟计算。

本发明中，当量比为1，进口速度为6m/s、7m/s、8m/s、9m/s和10m/s,通过模拟计算热电模块所得电压云图如图4所示，所得电压分别为0.112V、0.123V、0.129V、0.136V和0.141V。

当量比为1，进口速度为6m/s、7m/s、8m/s、9m/s和10m/s，通过模拟计算得，微光伏模块所得功率分别为3.83W、4.02W、4.50W、4.81W和5.09W，微热电模块所得功率分别为2.34W、2.67W、2.94W、3.26W和3.51W。在不同速度下，各部分功率输出如图5所示。

当量比为1，进口速度为6m/s、7m/s、8m/s、9m/s和10m/s，通过模拟计算得系统总能量转换效率分别为5.05％、4.70％、4.57％、4.41％和4.23％。在不同速度下，各部分能量转换效率如图6所示。

本发明提供的基于微细尺度燃烧的两级热光伏热电能源转化装置利用所述热沉(5)增强换热，其散热方式为自然空气对流。所述余热回收室(7)与热交换器(8)相连，通过热交换器(8)增强导热，提高P型半导体(11)与N型半导体(12)的冷热段温差，提高热电模块功率输出；所述散热器(15)与热沉(5)直接连接，增强散热，提高P型半导体(11)与N型半导体(12)的冷热段温差，提高热电模块功率输出。

本发明的提供的基于微细尺度燃烧的两级热光伏热电能源转化装置，在高温燃烧段采用热光伏模组，中低温段采用余热回收结合热电模组，从而有效提高热电模组的温度差实现热-电能量高效转化；由于采用余热回收室结合热电模组，能极大地减少热电系统中冷却装置对燃烧稳定性的影响。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。