一种微燃烧发电装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种微燃烧发电装置，包括第一至第四预热通道、挡流板、燃烧室、热光伏发电模块和热电模块；第一、第三预热通道一端相连，第二、第四预热通道一端相连，形成两套U型管道，分别设置在燃烧室两侧，第一、第四预热通道的另一端为进气口，第二、第三预热通道交汇在燃烧室入口外，挡流板设置在第三、第四预热通道交汇处，热光伏发电模块设置在燃烧室外壁与第二、第三预热通道之间形成的高温区，热电发电模块设置在第一、第三预热通道之间和第二、第四预热通道之间形成的中低温区。本实用新型结合了热光伏发电和热电发电，实现了能量梯级利用，减少热散失，提高了发电效率，发电效果稳定，且结构紧凑，尺寸小，寿命长，适用灵活。
【专利说明】一种微燃烧发电装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于微小尺度发电【技术领域】，更具体地，涉及一种微燃烧发电装置。
【背景技术】
[0002]不断涌现的各种微电子机械系统(MEMS)，如微型机器人、微型传感器以及手机等便携式电子设备，要求其动力系统具备体积小、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可燃气体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，即微燃烧发电装置，具有与化学电池竞争的巨大潜力，引起了国内外研究人员的广泛关注。
[0003]微燃烧发电的方式主要有热光伏发电和热电发电两种。热光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将热辐射直接转变为电能的一种技术。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。
[0004]然而，热光伏发电只能利用燃烧器壁面发出的高温辐射能，中低温部分的能量无法利用。热电发电因为热电材料冷端需维持低温才能有效发电，而现有维持热电材料冷端低温的技术有:被动式，如装配金属翅片来加强散热，增加了装置体积且效果有限；主动式，驱动冷气体或冷水带走热量，消耗额外能量且热损耗大。目前，由于热电材料冷端无法有效冷却，热电发电效率普遍比较低，只有1%左右。另外，目前高温热电材料成本高，性能不稳定，一般很少应用，因此热电发电一般只能利用中低温区的能量。目前虽然有结合热光伏发电原理和热电发电原理的装置，但仅为两者的简单叠加，结构松散，热量散失问题没有改善，热电发电模块冷端冷却问题仍然存在。
[0005]除此以外，在微燃烧发电装置中，火焰的稳定性是另一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，即面体比，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，可燃气体和助燃气体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，而且可燃气体的吹熄极限和稳燃范围也大大缩小。
实用新型内容
[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种微燃烧发电装置，其目的在于通过对其关键组件的形状、尺寸及其设置方式进行设计，能够有效解决现有微燃烧发电技术中的热光伏发电装置无法利用中低温区能量，热电发电模块只能利用中低温区能量且冷端冷却技术增加体积或消耗额外能量，火焰稳定性差，易发生熄火的问题，同时可提高发电效率和发电稳定性、延长使用寿命、缩小发电装置尺寸。
[0007]为实现上述目的，本实用新型提供了一种燃烧能量梯级利用的微燃烧发电装置，包括第一至第四预热通道，燃烧室，挡流板，第一、第二热光伏发电模块，以及第一、第二热电发电模块；所述第一、第三预热通道一端相连，形成U型管道，所述第二、第四预热通道一端相连，形成U型管道，两套U型管道分别设置在燃烧室两侧，第一、第二预热通道另一端为进气口，用于通入可燃气体、助燃气体或其混合气体，第三、第四预热通道另一端交汇在燃烧室入口外，所述挡流板设置在第三、第四预热通道交汇处，用于将气体导入燃烧室；第一、第二热光伏发电模块分别设置在燃烧室与第三、第四预热通道之间形成的高温区，第一、第二热电发电模块分别设置在第一、第三预热通道之间和第二、第四预热通道之间形成的中低温区。
[0008]优选地，所述微燃烧发电装置，其燃烧室从功能上划分为依次首尾相连的三段，第一段作为入口，第二段作为稳燃腔，第三段作为燃尽腔。
[0009]优选地，所述微燃烧发电装置，其稳燃腔的的具体实现方式为:定义所述燃烧室的入口截面宽度为W，所述燃烧室的第二段横截面宽度为W’，满足w’>w，以此使得燃烧室的第二段内形成低速回流区，起到稳燃作用。
[0010]优选地，所述微燃烧发电装置，其燃烧室入口横截面宽度W、燃烧室稳燃腔横截面宽度r、稳燃腔长度L满足2L/ (W’ -W)的值在1到4之间。
[0011]优选地，所述微燃烧发电装置，其燃烧室稳燃腔与燃尽腔连接的一端加工成导角，用于引导稳燃腔内的气体进入燃尽腔。
[0012]优选地，所述微燃烧发电装置，其燃烧室的入口与稳燃腔的连接端横截面沿气体流动方向逐渐变窄，形成用于辅助稳燃的喇叭状连接通道。
[0013]优选地，所述微燃烧发电装置，其喇叭状连接通道与燃烧室稳燃腔连接处的横截面宽度和燃烧室入口横截面宽度的比值在0.4到0.7之间。
[0014]优选地，所述微燃烧发电装置，其第一至第四预热通道、燃烧室均为平板型。
[0015]优选地，所述微燃烧发电装置，其第一至第四预热通道内均布置有强化换热装置。
[0016]优选地，所述微燃烧发电装置，其强化换热装置为翅片。
[0017]本实用新型具有以下优点:
[0018]其一，本实用新型由于结合了热光伏发电和热电发电两种发电方式，既能利用温度超过600°C的高温区能量，也能利用温度在100°C到600°C之间的中低温区能量，实现燃烧热能的梯级利用，相对任何一种单一的发电方式效率都更高；由于气体在预热通道内利用散失的热量预热，减少了热量流失，也提高了发电效率；利用进入第一、第三预热通道的气体给热电模块冷端降温，提高了热电模块的发电效率。综合以上三点，本实用新型提供的一种微燃烧发电装置能有效提高发电效率。其二，本实用新型由于采用热循环的方式预热气体，提高了火焰稳定性，从而提高了微燃烧装置的发电稳定性；本实用新型采用热循环方式同时解决了热电模块冷端冷却问题，提高了热电模块的发电稳定性。综合而言本实用新型提高了能量释放和能量转换两个环节的稳定性，因此提高了发电稳定性。其三，本实用新型没有转动部件，无磨损、无噪音，热光伏发电模块吸收大量热量发电，使热电发电模块所处的环境温度降低，防止热电发电模块因过热加速老化，因此使用寿命长。其四，热电模块冷端冷却方法没有增加额外体积，因此本实用新型结构紧凑，装置尺寸小，适用于毫米级甚至微米级的微燃烧发电装置。其五，本实用新型有两个进气口，既适用于预混燃烧，又适用于非预混燃烧，视具体需求决定燃烧方式，适用灵活。
[0019]作为优化，本实用新型提供的微燃烧发电装置，所述燃烧室内设有稳燃腔，所述稳燃腔的横截面宽度宽于所述燃烧室入口宽度，能在所述稳燃腔内能形成低速回流区，从而提高火焰燃烧稳定性。
[0020]作为优化，本实用新型提供的微燃烧发电装置，所述燃烧室入口与所述稳燃腔连接的一端形成喇叭状通道，能起到辅助稳燃的作用，从而进一步提高火焰稳定性。
[0021]作为优化，本实用新型提供的微燃烧发电装置，所述燃烧室稳燃腔和燃尽腔连接处加工成导角，保证气体流通顺畅，热量散失分布均匀，避免局部过热。
[0022]作为优化，本实用新型提供的微燃烧发电装置，所述第一至第四预热通道、燃烧室均为平板型，从而增加了热光伏发电模块、热电发电模块的有效面积，提高发电效率。
[0023]作为优化，本实用新型提供的微燃烧发电装置，所述第一至第四预热通道内布置有强化换热装置，如翅片。强化换热装置能加强热量交换效率，提高气体预热效果和热电模块冷端冷却效果，从而提高发电效率和发电稳定性。
[0024]总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于有机地结合了热光伏和热电两种发电方式，组成了一个复合发电系统，且利用了未燃气预热、喇叭形燃烧室入口和稳燃腔共同形成的大回流区两种稳燃方式来扩大稳燃范围，能够取得发电效率高、发电稳定性好、尺寸小、寿命长、适用灵活的有益效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本实用新型优选方案的剖视图:
[0026]图2是本实用新型优选方案的结构示意图。
[0027]图3是当量比为0.5，不同进气速度下的燃烧室外壁面温度分布图。
[0028]图4是当量比为0.5，不同进气速度下燃烧室的燃烧效率图。
[0029]图5是进气速度为20m/s，不同当量比下燃烧室外壁面温度分布图。
[0030]图6是进气速度为20m/s，不同当量比下燃烧室的燃烧效率图。
[0031]其中:1、2分别为第一、第二进气口，3为凸台，4为燃烧室稳燃腔，5、6、7、8分别为第一至第四预热通道，9、10分别为第一、第二热光伏发电模块,11、12分别为第一、第二热电发电模块，13为燃烧室入口，14为挡流板，15为燃烧室，16为燃烧室燃尽腔。
【具体实施方式】
[0032]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0033]本实用新型提供的微小型发电装置可在耐高温的基体上加工得到，基体材料可以选择如石英(主要成分为Si02)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)等耐高温的陶瓷材料。
[0034]如图1所示，本实用新型提供的微小型热电发电装置包括第一至第四预热通道5、
6、7、8，第一、第二热光伏发电模块9、10，第一、第二热电发电模块11、12，挡流板14，燃烧室15，第一至第四预热通道5、6、7、8以及燃烧室15均为平板型。
[0035]燃烧室15分为三段，依次为入口 13，稳燃腔4和燃尽腔16。
[0036]燃烧室入口 13内对称设置有凸台3，凸台是底面为直角三角形的柱状结构，其一条直角边所在侧面紧贴燃烧室入口侧壁，另一条直角边所在侧面垂直与燃烧室入口侧壁，用于形成与稳燃腔连接的喇叭状通道。实践表明，凸台3形成的燃烧室入口与稳燃腔4连接处横截面宽度和燃烧室入口 13的横截面宽度W的比值在0.4至0.7之间，稳燃效果较好。
[0037]燃烧室稳燃腔4可采用多种稳燃手段，例如表面钝化处理、催化反应、形成回流区等。为便于加工，本实用新型优选方案采用形成回流区的稳燃方法。具体而言，燃烧室稳燃腔为横截面宽度大于燃烧室入口宽度的空腔，在稳燃腔内两侧形成低速回流区，从而起到稳燃效果。实验证实，当燃烧室入口横截面宽度W、稳燃腔横截面宽度W’、稳燃腔长度L满足2L/(W’-W)的值在1至4之间时，稳燃效果更佳。稳燃腔与燃尽腔连接的一端设有导角，引导气体进入燃尽腔，从而使燃烧产生的热量均匀分布。燃烧室外壁与第二、第三预热通道之间形成两处高温区，高温区温度超过600°C;第一、第三预热通道之间和第二、第四预热通道之间形成两处中低温区，中低温区温度在100°C到600°C之间。由于微燃烧发电装置制作材料不同，高温区、中低温区的温度范围略有不同。
[0038]第一热光伏发电模块9位于燃烧室外壁面与第三预热通道之间形成的高温区，第一热电发电模块11位于第一预热通道5与第三预热通道7之间形成的中低温区；第一预热通道5的入口作为第一进气口 1，用于通入可燃气体、助燃气体或其混合物，第一预热通道5的出口与第三预热通道7的入口相连通，第三预热通道7的入口与燃烧室15的进口 13相通。
[0039]第二热光伏发电模块10位于燃烧室外壁面与第四预热通道之间形成的高温区，第二热电发电模块12位于第二预热通道6与第四预热通道8之间形成的中低温区；第二预热通道6的入口作为第二进气口 2，用于通入可燃气体、助燃气体或其混合物，第二预热通道6的出口与第四预热通道8的入口相连通，第四预热通道8的出口与燃烧室15的进口 13相通。
[0040]为了强化换热，可以在第一至第四预热通道5、6、7、8内布置强化换热装置，如翅片。
[0041]采用非预混燃烧方式时向第一和第二进气口分别通入可燃气体和助燃气体，采用预混燃烧方式时，将可燃气体和助燃气体的混合气体通入第一和第二进气口。可燃气体和助燃气体、或者它们的预混合物分别从进气口 1和2经预热通道5、6、7、8进入平板型微燃烧室15的进口 13，在凸台3后方和凹腔稳燃器4内点火燃烧，高温气体通过燃烧室15的壁面将热量传给第一和第二热光伏发电模块9、10及第三、第四预热通道7、8，尾气通过燃烧室出口排出。可燃气体和助燃气体或者它们的预混气流经第一至第四预热通道时，会使得燃烧产生的一部分热量经壁面对可燃气体和助燃气体或者它们的预混气进行预热。第一、第二预热通道5、6内的气体温度较低，用来冷却热电模块11和12的冷端。第三、第四预热通道7、8里的气体温度较高，作为热电模块11和12的热源，由温差产生的电动势由热电模块11和12输出。
[0042]以下为具体实施例:
[0043]采用氢气与空气的预混气为燃料，燃料通道的长度为10mm，高度为1mm。基体采用耐高温的SiC材料，其常温下的密度、热容、导热系数和法向发射率分别为3217kg/m3、2352J/(kg.K)、52.08W/ (m2.Κ)和 0.9。应用通用的 CFD 计算软件 Fluent6.3.26，结果如图3到图6所示。
[0044]图3给出了当量比为0.5，不同进气速度下的燃烧室的外壁面温度分布，由图可知，燃烧室的外壁温整体比较均匀，且平均温度较高。随着进气速度的增大，温度分布仅稍有不均匀，说明凸台和稳燃器能起到很好的稳燃效果，且较高的壁面温度更有利于利用燃烧释放的热量。
[0045]图4是当量比为0.5，不同进气速度下的燃烧效率，由图4可知，不同进气速度下的燃烧效率都很高，特别是当进气速度较小时，燃烧效率都高于90%。这是因为凸台和稳燃器一方面能延长可燃气体停留时间，另一方面能为反应所需的关键基团提供驻留场所，使得其能起到很好的稳燃效果。
[0046]图5是进气速度为20m/s，不同当量比下的燃烧室外壁温分布，由图5可知，各当量比下的外壁温分布都比较均匀，平均壁面温度随着当量比的增大而升高。在材料能忍受的温度范围内，壁温越高，对热能的利用是越有利的。
[0047]图6是进气速度为20m/s，不同当量比下的燃烧室的燃烧效率。由图6可知，各当量比下的燃烧效率都很高，且燃烧效率随着当量比的增大而增大。
[0048]以上说明此燃烧室能使各工作状况下的燃烧情况良好，即此燃烧室能为发电装置提供稳定高效的热源。这些热能通过热光伏与热电两种方式进行梯级利用，可以输出比热光伏或热电任何一种单一的方式更大的功率。
[0049]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种微燃烧发电装置，其特征在于，包括第一至第四预热通道，燃烧室，挡流板，第一、第二热光伏发电模块，以及第一、第二热电发电模块；所述第一、第三预热通道一端相连，形成U型管道，所述第二、第四预热通道一端相连，形成U型管道，两套U型管道分别设置在燃烧室两侧，第一、第二预热通道另一端为进气口，用于通入可燃气体、助燃气体或其混合气体，第三、第四预热通道另一端交汇在燃烧室入口外，所述挡流板设置在第三、第四预热通道交汇处，用于将气体导入燃烧室；第一、第二热光伏发电模块分别设置在燃烧室与第三、第四预热通道之间形成的高温区，第一、第二热电发电模块分别设置在第一、第三预热通道之间和第二、第四预热通道之间形成的中低温区。
2.如权利要求1所述的微燃烧发电装置，其特征在于，所述燃烧室从功能上划分为依次首尾相连的三段，第一段作为入口，第二段作为稳燃腔，第三段作为燃尽腔。
3.如权利要求2所述的微燃烧发电装置，其特征在于，所述稳燃腔的的具体实现方式为:定义所述燃烧室的入口截面宽度为w，所述燃烧室的第二段横截面宽度为r，满足r >w,以此使得燃烧室的第二段内形成低速回流区，起到稳燃作用。
4.如权利要求3所述的微燃烧发电装置，其特征在于，所述燃烧室入口横截面宽度w、燃烧室稳燃腔横截面宽度r、稳燃腔长度L满足2L/(W’ -W)的值在1到4之间。
5.如权利要求3所述的微燃烧发电装置，其特征在于，所述燃烧室的稳燃腔与燃尽腔连接的一端加工成导角，用于引导稳燃腔内的气体进入燃尽腔。
6.如权利要求2至5任意一项所述的微燃烧发电装置，其特征在于，所述燃烧室的入口与稳燃腔的连接端横截面沿气体流动方向逐渐变窄，形成用于辅助稳燃的喇叭状连接通道。
7.如权利要求6所述的微燃烧发电装置，其特征在于，所述喇叭状连接通道与燃烧室稳燃腔连接处的横截面宽度和燃烧室入口横截面宽度的比值在0.4到0.7之间。
8.如权利要求1所述的微燃烧发电装置，其特征在于，所述第一至第四预热通道、燃烧室均为平板型。
9.如权利要求1所述的微燃烧发电装置，其特征在于，所述第一至第四预热通道内均布置有强化换热装置。
10.如权利要求9所述的微燃烧发电装置，其特征在于，所述强化换热装置为翅片。
【文档编号】H02S10/30GK203466771SQ201320546342
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年9月3日 优先权日:2013年9月3日
【发明者】范爱武, 万建龙, 张贺, 张婧宜, 刘伟 申请人:华中科技大学