专利名称：一种基于燃烧的微小型热电发电装置的制作方法
技术领域：
本发明属于微小尺度热电发电技术领域，特指为微小型动カ装置提供电源的发电装置。
背景技术：
不断涌现的各种微电子机械系统(MEMS)，如微型飞行器、微型推进系统、微型机器人、微型传感器以及手机等便携式电子设备，要求其动カ系统要具备体积小、重量轻、能量密度大、以及使用方便等特点。传统的化学电池存在重量大、能量密度小、使用时间短、充电时间长等缺点，已经不能完全胜任这方面的需求；而氢气和碳氢化合物燃料的能量密度比化学电池高几十倍。因此，基于燃烧的微小型发电系统具有与化学电池竞争的巨大潜力，弓丨起了国内外研究人员的广泛关注。 热电转换是最方便直接的发电方式。其原理为热电效应，即当热电模块的两端温度不相等时，材料中的电子或空穴会由高温区向低温区移动，从而产生电流或电荷堆积。热电转换系统由热源、冷源和热电模块构成。这种发电方法的优点是重量轻、体积小、没有转动部件、无磨损、无噪音，故可长久使用，安全可靠。目前已有研究者利用燃烧产生的热量通过热电模块进行发电，但是效率普遍比较低，最高也只有1%左右。这主要是由于热电模块冷、热端的温差太小造成的。为了形成较大的冷、热端温差，一般可以采取两种方式。ー种是被动式，通过在冷端加装金属翅片来加强散热，降低冷端温度。例如，新加坡的研究小组即采用了这种方式。其缺点是会増加系统的体积、重量和成本。另ー种是主动式，通过泵或风机来驱动水或空气对冷端进行强迫对流换热，从而降低冷端温度。例如，中科院广州能源研究所开发的热电发电系统就采用了水冷装置。然而，这种方式不仅增加了结构复杂程度，而且需要消耗额外的动力，因此降低了系统的效率。由上可见，仍然需要寻求更好的热电模块的冷端冷却方式。除此以外，在基于燃烧的微小型热电发电系统中，火焰的稳定性是另ー个需要重点考虑的问题。这是因为在微小型燃烧器中，由于燃烧室表面积与体积的比值(面体比)相对于常规尺度来说要大两至三个数量级，使得通过壁面的散热损失的比例大大增加，同时化学反应的自由基被燃烧室壁面的捕获几率也大大增加，因此，火焰稳定性变差，容易发生熄火。此外，燃烧室几何尺寸太小，气体混合物在其中的停留时间短，燃料和空气往往来不及完全反应就被吹出燃烧室，不仅导致燃烧效率降低，而且燃料的吹熄极限和稳燃范围也大大缩小。为了提高微小型燃烧器中火焰的稳定性，研究者们主要采用热循环、催化反应、燃烧室表面钝化处理、回流区稳燃等几种办法。然而，単一的稳燃方法达不到最佳效果，需要开发两种或多种方式相结合的稳燃方式。鉴于此，目前基于燃烧的微小型热电发电系统还有两大问题亟待解決，即有效的冷端冷却方法和高效的稳燃方法，本发明提出了一种能同时解决这两个问题的新系统
发明内容
本发明的目的是为了提供ー种微小型气体燃烧热电发电装置，该发电装置具有结构紧凑、稳燃范围宽、燃烧效率高和运行稳定可靠的特点。本发明提供的一种基于燃烧的微小型热电发电装置，其特征在于，该装置包括第一至第四预热通道，钝体稳燃器，燃烧室，以及第一、第二热电模块，第一至第四预热通道以及燃烧室均为平板型；钝体稳燃器安装在燃烧室的进ロ处，钝体截面为三角形或半圆柱形；第一热电模块位于第一预热通道与第三预热通道之间；第一预热通道的入口作为第一进气ロ，用于通入燃料或燃料/空气混合物，第一预热通道的出ロ与第三预热通道的入口相连通，第三预热通道的入口与燃烧室的进ロ相通；第二热电模块位于第二预热通道与第四预热通道之间；第二预热通道的入口作为第二进气ロ，用于通入空气或燃料/空气混合物，第二预热通道的出ロ与第四预热通道的入口相连通，第四预热通道的入口与燃烧室的进ロ相通。作为上述技术方案的改进，在第一至第四预热通道内均布置叉排翅片。作为上述技术方案的进ー步改进，钝体稳燃器的宽度与燃烧室的宽度之比在O. 3至O. 6之间。本发明具有以下优点(I)燃料、空气或者它们的预混气在初始压力作用下，在第一、第二预热通道内对热电模块冷端进行冷却，不仅不需要消耗额外功量，而且还能对冷态的预混气进行初歩预热。(2)第三、第四预热通道的ー侧与燃烧器壁面接触，另ー侧作为热电模块的热端，从而避免了热电模块与高温的燃烧室壁面进行直接接触，保护了热电模块。另外，还可以对气体进行进一歩预热。(3)燃烧器的稳燃方式中同时包含了对低温未燃气体的两级预热、以及基于钝体的回流区稳燃两种方式。因此，既能降低点火所需的能量，缩短着火延迟时间，稳燃范围也更宽。(4)整个系统中没有运动部件，因此无磨损、无噪音，大大増加了装置运行的稳定性、可靠性和安全性。(5)本发明的优点还在于它既适用于预混燃烧，也适用于非预混燃烧，具体采用何种燃烧方式可以根据实际情况进行合理地选择。(6)本发明装置的特征尺寸小，为毫米级或微米级。总之，本发明充分利用了未燃气预热和钝体回流区两种稳燃方式来扩大稳燃范围，提高了装置的稳定性，广泛适用于各种微小型动カ系统。
图I是本发明的ニ维结构示意图其中1、2分别为第一、第二进气ロ，3、4、5、6分别为第一至第四预热通道，7为燃烧室进ロ，8为钝体稳燃器，9、10、11、12为翅片，13为燃烧室，14、15分别为第一、第二热电模块，16为燃烧器出ロ图2是本发明的翅片分布示意图。图3是图I的三维效果图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进ー步详细说明。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I所示，本发明提供的微小型热电发电装置包括第一至第四预热通道3、4、5、6,钝体稳燃器8,燃烧室13,以及第一、第二热电模块14、15,第一至第四预热通道3、4、5、6以及燃烧室13均为平板型。钝体稳燃器8安装在燃烧室13的进ロ处，钝体截面为三角形或半圆柱形。实践表明，钝体稳燃器8的宽度w (即三角形底边的长度或半圆柱的直径)与燃烧室13的宽度W之比在O. 3至O. 6之间时，稳燃效果更佳。第一热电模块14位于第一预热通道3与第三预热通道5之间；第一预热通道3的入口作为第一进气ロ 1，用于通入燃料或燃料/空气混合物，第一预热通道3的出口与第三预热通道5的入口相连通，第三预 热通道5的入口与燃烧室13的进ロ相通。第二热电模块15位于第二预热通道4与第四预热通道6之间；第二预热通道4的入口作为第二进气ロ 2，用于通入空气或燃料/空气混合物，第二预热通道4的出口与第四预热通道6的入口相连通，第四预热通道6的入口与燃烧室13的进ロ相通。为了强化换热，可以在第一至第四预热通道3、4、5、6内布置叉排翅片9、10、11和12，翅片在壁面上的位置分布如图2所示。燃料和空气(采用非预混燃烧方式吋)、或者它们的预混合物(采用预混燃烧方式时)分别从进ロ I和2经预热通道3、4、、5和6进入平板型微燃烧室13的进ロ 7，在钝体稳燃器8后方点火燃烧，高温气体通过燃烧室13的壁面和翅片将热量传给第三、第四预热通道5、6，尾气通过燃烧室出口 16排出。燃料和空气或者它们的预混气流经第一至第四预热通道时，与翅片9、10、11和12充分换热，使得燃烧产生的一部分热量经壁面和翅片对燃料和空气或者它们的预混气进行预热。第一、第二预热通道3、4内的气体温度较低，用来冷却热电模块14和15的冷端。第三、第四预热通道5、6里的气体温度较高，作为热电模块14和15的热源，由温差产生的电动势由热电模块14和15输出。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于燃烧的微小型热电发电装置，其特征在于，该装置包括第一至第四预热通道，钝体稳燃器，燃烧室，以及第一、第二热电模块，第一至第四预热通道以及燃烧室均为平板型； 钝体稳燃器安装在燃烧室的进口处，钝体截面为三角形或半圆柱形；第一热电模块位于第一预热通道与第三预热通道之间；第一预热通道的入口作为第一进气口，用于通入燃料或燃料/空气混合物，第一预热通道的出口与第三预热通道的入口相连通，第三预热通道的入口与燃烧室的进口相通； 第二热电模块位于第二预热通道与第四预热通道之间；第二预热通道的入口作为第二进气口，用于通入空气或燃料/空气混合物，第二预热通道的出口与第四预热通道的入口相连通，第四预热通道的入口与燃烧室的进口相通。
2.根据权利要求I所述的基于燃烧的微小型热电发电装置，其特征在于，在第一至第四预热通道内均布置叉排翅片。
3.根据权利要求I所述的基于燃烧的微小型热电发电装置，其特征在于，钝体稳燃器的宽度与燃烧室的宽度之比在0. 3至0. 6之间。
全文摘要
本发明公开了一种微小型热电发电装置，包括四个预热通道、钝体稳燃器、燃烧室和热电模块；各预热通道和燃烧室均为平板型；钝体截面为三角形或半圆形，安装在燃烧室的入口处，热电模块安装在两个预热通道之间。预热通道内可布置叉排翅片。钝体与燃烧室宽度之比优选值为0.3～0.6。本发明克服了现有技术的不足，它利用气体在第一、第三预热通道内对热电模块的冷端进行冷却，在第二、第四预热通道内对热电模块的热端进行加热。因此，不需要提供额外的冷却动力，可以提高系统效率。同时，两次预热可以降低点火能量，缩短着火延迟时间，减少散热损失，提高燃烧效率。钝体后形成的低速高温回流区可以有效稳定火焰。该装置广泛适用于各种微小型动力系统。
文档编号F02B63/04GK102678325SQ201210148520
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者刘伟, 王文君, 程哲, 范爱武, 谢扬苏 申请人:华中科技大学