專利名稱:一種基于燃燒的緊湊微發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型涉及到微發(fā)電裝置技術(shù)領(lǐng)域,尤其是一種基于燃燒的緊湊微發(fā)電裝置。
背景技術(shù):
大量用于軍事的智能化便攜式動(dòng)力裝備,用于醫(yī)療和科研的便攜儀器儀表,以及日常生活中的各種數(shù)字電子產(chǎn)品等需要持續(xù)供應(yīng)的毫瓦到瓦量級(jí)別的電源。目前這些電源供應(yīng)系統(tǒng)主要是由各類電池完成,如各種高性能干電池、可充電干電池,以及可充電的鋰、氫電池等。由于智能化產(chǎn)品的性能不斷提高,其對(duì)電源要求更為苛刻,電池類電源產(chǎn)品的能量密度低、不能穩(wěn)定持續(xù)供能和不能快速續(xù)能方面等缺點(diǎn)日益突出,成為嚴(yán)重制約了這些智能化、便攜產(chǎn)品性能的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近十多年來(lái),基于燃料燃燒的具有高能量密度、能夠提供連續(xù)功能和方便快捷續(xù)能的微動(dòng)力及發(fā)電系統(tǒng)被概念提出并實(shí)驗(yàn)室示范,其主要特征是采用微燃燒裝置將常規(guī)碳?xì)淙剂先紵尫艧崮?,并結(jié)合各種能量轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)電能的輸出。理論上,即使在10%的化學(xué)能一電能轉(zhuǎn)換效率下,基于燃燒的微發(fā)電系統(tǒng)單位質(zhì)量或體積輸出功率遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的電池供能系統(tǒng)。現(xiàn)有基于燃燒的微發(fā)電系統(tǒng)原理主要分為兩類,其一為采用熱機(jī)進(jìn)行化學(xué)能——機(jī)械能——電能轉(zhuǎn)換,如微型燃?xì)馔钙健⑽⑿腿寝D(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)和微型活塞式內(nèi)燃機(jī)等,通過(guò)微型熱機(jī)與微型發(fā)電機(jī)連接產(chǎn)生電能;其二為采用功能材料轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)熱能到電能的轉(zhuǎn)換,如熱光伏和溫差熱電直接轉(zhuǎn)換等產(chǎn)生電能。所有這些微發(fā)電系統(tǒng)中,由于微型熱電直接轉(zhuǎn)換最簡(jiǎn)單,直接實(shí)現(xiàn)熱能——電能轉(zhuǎn)換,且系統(tǒng)沒(méi)有任何移動(dòng)部件,其可靠性高,是現(xiàn)階段最容易實(shí)現(xiàn)的微發(fā)電系統(tǒng)。在現(xiàn)有的熱電直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中,熱電模塊基本上是直接貼在燃燒器的外壁面上,由于熱電模塊受耐溫極限的限制,如采用常規(guī)的商用碲化鉍(Bi2Te3)熱電模塊時(shí),必須維持模塊熱端壁面溫度在300°C以下。而微尺度燃燒特性表明,微燃燒器壁面溫度與火焰溫度(高達(dá)IOO(TC)非常接近,過(guò)高的壁面溫度同時(shí)也導(dǎo)致燃燒器容易燒毀。為提供適合熱電模塊工作的熱端溫度場(chǎng)和保障燃燒器的安全性,需要降低燃燒器壁面溫度,但是隨著燃燒器壁面溫度的降低,火焰溫度同時(shí)顯著降低,這將導(dǎo)致燃燒反應(yīng)不穩(wěn)定甚至熄火。因此,需要一種新型的微燃燒器及其溫差熱電發(fā)電技術(shù),既能夠保證燃燒器內(nèi)穩(wěn)定安全的燃燒,又可維持燃燒器壁面溫度處于較低的范圍適合溫差熱電模塊直接利用。目前國(guó)內(nèi)外示范運(yùn)行的基于燃燒的微熱電直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中,不論是微直通道燃燒器還是瑞士面包圈微燃燒器,均采用燃燒器內(nèi)壁表面催化燃燒,這樣可以保證壁面溫度相對(duì)較低。但是,催化反應(yīng)溫度有500 60(TC甚至更高,還需要進(jìn)一步降低反應(yīng)溫度來(lái)提供合適熱電模塊的壁面溫度條件。另一方面,催化燃燒存在催化劑有效活性期限的問(wèn)題,對(duì)微發(fā)電系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠和有效工作的影響目前還不確定。與此同時(shí),對(duì)于溫差熱電轉(zhuǎn)換的微發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō),熱量管理及合理利用程度決定系統(tǒng)的綜合性能。首先要保證燃燒器內(nèi)的完全燃燒程度,以提高燃燒效率,其次要減少微燃燒器和系統(tǒng)的散熱損失,同時(shí)降低燃燒裝置排煙尾氣溫度,以提高系統(tǒng)熱利用效率。在瑞士面包圈微燃燒器中有回?zé)嵫b置,進(jìn)氣通道和尾氣排放通道逆流換熱,最大限度提高了系統(tǒng)熱效率,但燃燒器壁面溫度分布是靶型,中心區(qū)域壁面溫度接近火焰溫度,沿半徑方向溫度降低梯度很大,不利于熱電模塊直接高效利用。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題,提供一種基于燃料燃燒的微型溫差熱電直接轉(zhuǎn)換發(fā)電系統(tǒng),其主要原理是通過(guò)碳?xì)淙剂?空氣混合氣在微燃燒器內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔庾鳛闊嵩?,利用溫差熱電轉(zhuǎn)換原理由熱電發(fā)電模塊實(shí)現(xiàn)電能的輸出,輸出功率為幾瓦量級(jí)。為實(shí)現(xiàn)以上目的,本實(shí)用新型采取了以下的技術(shù)方案一種基于燃燒的緊湊微發(fā)電裝置,包括有上下對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)空氣冷卻通道,在空氣冷卻通道的一端端部上設(shè)有微型散熱風(fēng)扇,在空氣冷卻通道相對(duì)的外表面上分別直接接觸有溫差熱電模塊,兩個(gè)溫差熱電模塊的一面上直接粘貼有勻熱片;還包括有對(duì)稱設(shè)置的預(yù)熱通道,預(yù)熱通道之間形成有煙氣通道,每個(gè)預(yù)熱通道外壁面與勻熱片粘貼,預(yù)熱通道的一段壁面上為燒結(jié)多孔壁面,兩個(gè)預(yù)熱通道的多孔壁面之間形成有燃燒室,燃燒室內(nèi)插入有點(diǎn)火器系統(tǒng),與所述預(yù)熱通道還連接有燃料/空氣混合氣進(jìn)氣管。所述溫差熱電模塊具有冷端和熱端,其冷端與空氣冷卻通道直接接觸,熱端直接粘貼在勻熱片上。其系統(tǒng)特點(diǎn)是(1)微燃燒器采用獨(dú)特的低熱損失平面火焰燃燒技術(shù)。微燃燒室由兩塊平行的矩形粉末燒結(jié)多孔平板之間的狹縫空間組成,燃料和空氣混合氣穿過(guò)多孔板均勻進(jìn)入燃燒室,由燃燒器內(nèi)的直流高壓脈沖電子點(diǎn)火器點(diǎn)火,形成貼近多孔壁面表面的平面火焰。通過(guò)控制燒結(jié)多孔材料間隙等結(jié)構(gòu)參數(shù),可以保證火焰穩(wěn)定在燃燒內(nèi),不在多孔壁面內(nèi)發(fā)生回火現(xiàn)象,確保多孔板的安全。多孔表面形成的平面火焰的形成能有效壁面壁面與火焰直接接觸,同時(shí)預(yù)混氣體流動(dòng)方向與燃燒室內(nèi)高溫氣體向壁面的熱擴(kuò)散方向相反,從而可以維持燃燒器壁面溫度遠(yuǎn)低于火焰溫度;與此同時(shí),混合氣在進(jìn)入多孔壁面前被預(yù)熱,在穿過(guò)多孔壁面時(shí)被再次高效預(yù)熱,高的進(jìn)氣溫度可以延展微燃燒器的可燃極限,提高了微燃燒器性能。(2)高效熱量管理系統(tǒng)。煙氣換熱方面,在燃燒室出口連接低壓損失的“Y”型微型通道換熱煙氣通道,高溫?zé)煔饬鹘?jīng)微通道結(jié)構(gòu)時(shí),與通道壁面充分換熱,可以使高溫?zé)煔庋杆俳禍?。冷混合氣體預(yù)熱換熱方面,在燃料/空氣混合氣進(jìn)入多孔壁面之前,冷的預(yù)混氣體首先在預(yù)熱腔內(nèi)被高溫?zé)煔忸A(yù)熱,冷預(yù)混氣體流向與煙氣流向?yàn)槟媪鞣绞?,煙氣通道壁面作為熱源加熱冷預(yù)混氣體。在預(yù)熱通道內(nèi)散堆高換熱系數(shù)的金屬小圓球形成多孔蓄熱換熱通道,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化冷預(yù)混氣體高效預(yù)熱的目的,預(yù)混氣在燒結(jié)多孔壁面內(nèi)還可以進(jìn)一步高效回收高溫火焰對(duì)壁面的散熱,從這三方面實(shí)現(xiàn)高的熱利用效率。在熱電模塊冷、熱端溫度場(chǎng)保持方面,冷預(yù)混氣預(yù)熱通道外壁面直接作為溫差熱電模塊熱源,通過(guò)在通道外表面粘貼高導(dǎo)熱系數(shù)的熱量均勻分布薄板,實(shí)現(xiàn)均勻的熱電模塊熱端溫度場(chǎng),系統(tǒng)中熱電模塊熱端
4壁面完全與高溫火焰接觸壁面隔開(kāi),可以確保壁面壁面溫度局部高溫。熱電模塊冷端采用開(kāi)式空氣循環(huán),由微型風(fēng)扇和翅片微散熱器實(shí)現(xiàn),以保證實(shí)現(xiàn)熱電模塊在最佳的溫度范圍工作。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有如下優(yōu)點(diǎn)微燃燒器、煙氣通道、冷預(yù)混氣體預(yù)熱腔等整體設(shè)計(jì),燃燒器和換熱通道整合一起,燃燒器的外壁面與采用的熱電模塊結(jié)構(gòu)、尺寸相匹配,減少了換熱元件,有效縮小系統(tǒng)尺寸。
圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)剖視圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例請(qǐng)參閱圖1所示,一種基于燃燒的緊湊微發(fā)電裝置,包括有上下對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)空氣冷卻通道3,在空氣冷卻通道3的一端端部上設(shè)有微型散熱風(fēng)扇4,在空氣冷卻通道3相對(duì)的外表面上分別直接接觸有溫差熱電模塊5,兩個(gè)溫差熱電模塊5的一面上直接粘貼有勻熱片6 ;還包括有對(duì)稱設(shè)置的預(yù)熱通道7,預(yù)熱通道7之間形成有煙氣通道2,每個(gè)預(yù)熱通道7外壁面與勻熱片6粘貼,預(yù)熱通道7的一段壁面上為燒結(jié)多孔壁面8,兩個(gè)預(yù)熱通道7的多孔壁面8之間形成有燃燒室9,燃燒室9內(nèi)插入有點(diǎn)火器系統(tǒng)10,與預(yù)熱通道7還連接有燃料/空氣混合氣進(jìn)氣管1。本實(shí)施例工作過(guò)程如下燃料/空氣混合未燃?xì)庥蓛蓚€(gè)對(duì)稱的燃料/空氣混合氣進(jìn)氣管1進(jìn)入預(yù)熱通道7,在進(jìn)氣腔夾層內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣流的高效預(yù)熱,然后混合氣穿過(guò)多孔壁面8進(jìn)入燃燒室9,在燃燒室9內(nèi)被電子點(diǎn)火器系統(tǒng)10點(diǎn)燃,進(jìn)行燃燒化學(xué)反應(yīng),燃燒產(chǎn)出的高溫?zé)煔饬鲝綗煔馔ǖ?后排出。高溫?zé)煔庠诹鬟^(guò)煙氣通道2時(shí),與預(yù)熱通道7內(nèi)逆向流動(dòng)的未然冷混合氣進(jìn)行熱交換,貼在預(yù)熱通道7外壁面的勻熱片6能夠形成分布均勻的溫度場(chǎng),為溫差熱電模塊5提供熱源,溫差熱電模塊5熱端直接粘貼在勻熱片6上。溫差熱電模塊5的冷端通過(guò)與空氣冷卻通道3直接接觸維持低溫,冷卻空氣通過(guò)微型散熱風(fēng)扇提供。溫差熱電模塊5冷熱端維持恒定的溫差時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電力的輸出。上述的燃燒器和溫差熱電模塊、冷卻系統(tǒng)為對(duì)稱布置。上列詳細(xì)說(shuō)明是針對(duì)本實(shí)用新型可行實(shí)施例的具體說(shuō)明,該實(shí)施例并非用以限制本實(shí)用新型的專利范圍,凡未脫離本實(shí)用新型所為的等效實(shí)施或變更,均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。
權(quán)利要求1.一種基于燃燒的緊湊微發(fā)電裝置,其特征在于包括有上下對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)空氣冷卻通道(3),在空氣冷卻通道( 的一端端部上設(shè)有微型散熱風(fēng)扇,在空氣冷卻通道(3)相對(duì)的外表面上分別直接接觸有溫差熱電模塊(5),兩個(gè)溫差熱電模塊(5)的一面上直接粘貼有勻熱片(6);還包括有對(duì)稱設(shè)置的預(yù)熱通道(7),預(yù)熱通道(7)之間形成有煙氣通道O),每個(gè)預(yù)熱通道(7)外壁面與勻熱片(6)粘貼,預(yù)熱通道(7)的一段壁面上為燒結(jié)多孔壁面(8),兩個(gè)預(yù)熱通道(7)的多孔壁面⑶之間形成有燃燒室(9),燃燒室(9)內(nèi)插入有點(diǎn)火器系統(tǒng)(10),與所述預(yù)熱通道(7)還連接有燃料/空氣混合氣進(jìn)氣管(1)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于燃燒的緊湊微發(fā)電裝置,其特征在于所述溫差熱電模塊(5)具有冷端和熱端,其冷端與空氣冷卻通道C3)直接接觸,熱端直接粘貼在勻熱片(6)上。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于燃燒的緊湊微發(fā)電裝置,包括有上下對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)空氣冷卻通道,在空氣冷卻通道的一端端部上設(shè)有微型散熱風(fēng)扇,在空氣冷卻通道相對(duì)的外表面上分別直接接觸有溫差熱電模塊,兩個(gè)溫差熱電模塊的一面上直接粘貼有勻熱片;還包括有對(duì)稱設(shè)置的預(yù)熱通道,預(yù)熱通道之間形成有煙氣通道,每個(gè)預(yù)熱通道外壁面與勻熱片粘貼,預(yù)熱通道內(nèi)還形成有燒結(jié)多孔壁面,兩個(gè)預(yù)熱通道的多孔壁面之間形成有燃燒室,燃燒室內(nèi)插入有點(diǎn)火器系統(tǒng),與所述預(yù)熱通道還連接有燃料/空氣混合氣進(jìn)氣管。微燃燒器、煙氣通道、冷預(yù)混氣體預(yù)熱腔等整體設(shè)計(jì),燃燒器和換熱通道整合一起,燃燒器的外壁面與采用的熱電模塊結(jié)構(gòu)、尺寸相匹配,減少了換熱元件,有效縮小系統(tǒng)尺寸。
文檔編號(hào)H02N11/00GK202160135SQ20112030005
公開(kāi)日2012年3月7日 申請(qǐng)日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月17日
發(fā)明者蔣利橋, 趙黛青, 郭琛綿 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所