平板式微热光电系统能量转换过程的研究

论文摘要

在微加工技术强有力的推动下,微型机械和机电产品的研发获得持续的突破,但其动力供给部分却未能获得大的进展,致使完整微机电系统过大过重或者不能长时间工作,这也成为MEMS发展的瓶颈。近年来,一些基于燃烧的微型动力装置由于具有能量密度高、工作时间长、体积小等优点,有望很好地解决这一问题,其能量密度被认为能够突破100kW/kg,因而受到世界范围内的普遍关注,并成为了各国科研竞争的焦点之一。微热光电系统是一种典型的微动力装置,它利用碳氢燃料在微燃烧器内燃烧产生的热能对燃烧室壁面进行加热,高温壁面辐射出的能量足够高的光子撞击低频带隙光电池产生电能。同其它的微动力装置相比,该系统最大的优点在于无运动部件、制造装配相对容易。本文对圆柱结构微热光电系统进行了结构改进,给出了新型平行板结构的模块化微热光电系统的设计方案,并通过数值分析的方法,开展了较系统的研究工作,取得了一些具有学术意义和实用价值的研究成果：(1)针对新型平行板结构的微热光电系统,分析了能量转换的各个环节,包括燃烧器中流动、传热以及燃烧的耦合过程、燃烧器壁面的辐射过程以及光电转换过程。在考虑辐射壁面温度分布不均匀性的前提下,结合Fluent和Matlab软件构建了一个从燃料化学能输入到电能输出的三维整体能量转换计算模型,并结合初步实验的测试结果对模型的正确性进行了验证。(2)以采用圆形喷口微燃烧器、无过滤器的系统作为研究对象,通过改变系统中辐射壁面与电池的距离、电池种类、光电池以及辐射表面工作温度等关键参数对系统的工作表现进行了一系列的计算,得出这些参数对系统性能的影响规律,从而为平板式系统的进一步优化设计提供出合理的参考依据。(3)鉴于辐射壁面温度分布对系统工作性能的重要影响,针对平行板微通道内的燃烧过程进行了大量模拟计算,提出了将圆形喷口改进成细长的方形喷口、适当减小燃烧通道的宽度等改善微尺度燃烧过程的措施,并通过燃烧过程的影响因素分析和计算,得出了混合气流量1500mL/min、通道高度0.6mm等平板式燃烧器合理的运行参数；随后,设计了内部带有多孔介质、内壁面催化以及入口设置稳流凸台等三种优化的燃烧器结构形式以及新型带有预热通道的平板式微燃烧器,分析了采用这些优化结构后的燃烧性能和壁面温度分布特征,并对比了它们对于提高系统工作性能所带来的积极作用,其中入口稳流凸台的设置可使系统在1500mL/min的混合气流量下获得了1.12%的整体效率,这可在一般矩形喷口燃烧器基础上提高33.9%。(4)为进一步提高装置的能量转化效率,在系统中设置了一维Si/SiO2光子晶体滤波器,以实现对不可用辐射能的回收利用。根据光学薄膜的设计理论以及传输矩阵的方法,获取了该类型滤波器的基本设计结构及对应的光学特性,并针对基本结构第一反射带宽度过窄的缺点,作出了相应的改进设计。系统整体计算的结果表明,过滤器的使用可在有效缓解电池冷却负荷的同时,通过提高辐射壁面的温度以达到提升系统输出性能的效果。在1500mL/min的混合气流量下,采用改进结构过滤器的系统功率输出达到了5.46W,其效率为2.6%,比采用基本结构过滤器时提高了5.7%。(5)微动力系统并不仅仅是常规尺度原型的简单缩小,不同装置都应该有其尺度上的极限,但很少有学者针对整体装置的尺度极限展开相关研究。本文的最后,针对平板式的微热光电系统,在考虑部件强度以及制造难度的基础上,结合文献资料、前期的微燃烧实验以及光电池冷却计算分析等,确定出一个完整的能量转换单元的极限尺寸为10mm×8mm×2.5mm,在1500mL/min的混合气流量下单元的功率密度达到了17.55W/cm3,这个数据充分彰显出平板式微热光电系统充当MEMS动力源的优势所在。本文的工作为微热光电系统的合理开发以及工作性能的正确评价提供了一条可行的研究思路,论文中提出的研究方法和得出的结论对于其它微动力系统的开发也有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微动力系统的研究动态
• 1.2.1 微型燃气轮机
• 1.2.2 微型三角转子发动机
• 1.2.3 微型热电装置
• 1.2.4 微型热光电系统
• 1.2.5 其它形式的基于燃烧的微动力装置
• 1.3 微动力系统所面临的问题
• 1.3.1 稳定微尺度燃烧的实现
• 1.3.2 材料和加工的限制
• 1.4 TPV系统的概述
• 1.4.1 热光电能量转换原理
• 1.4.2 TPV系统简短历史
• 1.4.3 TPV系统主要部件
• 1.4.4 TPV系统的优缺点
• 1.4.5 TPV系统的应用前景
• 1.5 本文的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 新型微热光电系统整体能量转换模型的建立与实验验证
• 2.1 新型平板式模块化微热光电系统的提出
• 2.2 系统整体计算模型的构建方法
• 2.3 燃烧和传热过程计算模型
• 2.3.1 计算对象
• 2.3.2 数值计算的流程及计算网格的划分
• 2.3.3 计算模型
• 2.3.4 边界条件和相关属性的确定
• 2.3.5 计算方法
• 2.4 光电转换计算模型
• 2.4.1 微元角系数的计算
• 2.4.2 系统总效率的定义
• 2.4.3 光电转换模型中各项参数的计算方法
• 2.5 模型的实验验证
• 2.6 小结
• 参考文献
• 第三章 平板式微热光电系统性能初步计算与影响因素分析
• 3.1 燃烧器外壁面和电池之间距离的影响
• 3.2 电池种类的影响
• 3.3 电池温度的影响
• 3.4 辐射壁面温度分布的影响
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第四章 平板式微燃烧器的结构优化及对系统输出的影响
• 4.1 圆形喷口微燃烧器的弊端
• 4.2 矩形喷口亚毫米微燃烧器燃烧过程基本特征
• 4.3 微尺度燃烧影响因素分析
• 4.3.1 壁面材料的影响
• 4.3.2 入口流速的影响
• 4.3.3 通道高度的影响
• 4.4 矩形喷口平板式微燃烧器的优化
• 4.4.1 优化的燃烧器结构型式
• 4.4.2 四种燃烧器的计算对比
• 4.5 带有预热通道的微燃烧器设计
• 4.5.1 有无预热通道的燃烧器计算对比
• 4.5.2 进气流量的选择
• 4.5.3 当量比的选择
• 4.6 小结
• 参考文献
• 第五章 一维光子晶体过滤器的改进和分析
• 5.1 热光电系统过滤器研究进展
• 2光子晶体过滤器光学特性的计算与改进'>5.2 一维Si/SiO₂光子晶体过滤器光学特性的计算与改进
• 5.2.1 传输矩阵法
• 2光子晶体基本设计'>5.2.2 一维Si/SiO₂光子晶体基本设计
• 2光子晶体改进设计'>5.2.3 一维Si/SiO₂光子晶体改进设计
• 5.3 系统性能对比分析
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 极限尺寸平板式微热光电系统的构建及其整体性能评估
• 6.1 系统能量转换单元的构成
• 6.2 系统各部件极限尺寸的确定
• 6.2.1 基本部件尺寸
• 6.2.2 燃烧室高度
• 6.2.3 燃烧器外壁面和过滤层之间的距离
• 6.2.4 冷却通道的尺寸
• 6.3 系统性能计算
• 6.4 结论
• 参考文献
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 研究总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和取得的研究成果