平板式微熱光電系統(tǒng)能量轉換過程的研究.pdf

1、在微加工技術強有力的推動下,微型機械和機電產(chǎn)品的研發(fā)獲得持續(xù)的突破,但其動力供給部分卻未能獲得大的進展,致使完整微機電系統(tǒng)過大過重或者不能長時間工作,這也成為MEMS發(fā)展的瓶頸。近年來,一些基于燃燒的微型動力裝置由于具有能量密度高、工作時間長、體積小等優(yōu)點,有望很好地解決這一問題,其能量密度被認為能夠突破100kW／kg,因而受到世界范圍內的普遍關注,并成為了各國科研競爭的焦點之一。
　　 微熱光電系統(tǒng)是一種典型的微動力裝置,它

2、利用碳氫燃料在微燃燒器內燃燒產(chǎn)生的熱能對燃燒室壁面進行加熱,高溫壁面輻射出的能量足夠高的光子撞擊低頻帶隙光電池產(chǎn)生電能。同其它的微動力裝置相比,該系統(tǒng)最大的優(yōu)點在于無運動部件、制造裝配相對容易。本文對圓柱結構微熱光電系統(tǒng)進行了結構改進,給出了新型平行板結構的模塊化微熱光電系統(tǒng)的設計方案,并通過數(shù)值分析的方法,開展了較系統(tǒng)的研究工作,取得了一些具有學術意義和實用價值的研究成果:
　　 (1)針對新型平行板結構的微熱光電系統(tǒng),分析了

3、能量轉換的各個環(huán)節(jié),包括燃燒器中流動、傳熱以及燃燒的耦合過程、燃燒器壁面的輻射過程以及光電轉換過程。在考慮輻射壁面溫度分布不均勻性的前提下,結合Fluent和Matlab軟件構建了一個從燃料化學能輸入到電能輸出的三維整體能量轉換計算模型,并結合初步實驗的測試結果對模型的正確性進行了驗證。
　　 (2)以采用圓形噴口微燃燒器、無過濾器的系統(tǒng)作為研究對象,通過改變系統(tǒng)中輻射壁面與電池的距離、電池種類、光電池以及輻射表面工作溫度等關鍵

4、參數(shù)對系統(tǒng)的工作表現(xiàn)進行了一系列的計算,得出這些參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律,從而為平板式系統(tǒng)的進一步優(yōu)化設計提供出合理的參考依據(jù)。
　　 (3)鑒于輻射壁面溫度分布對系統(tǒng)工作性能的重要影響,針對平行板微通道內的燃燒過程進行了大量模擬計算,提出了將圓形噴口改進成細長的方形噴口、適當減小燃燒通道的寬度等改善微尺度燃燒過程的措施,并通過燃燒過程的影響因素分析和計算,得出了混合氣流量1500mL／min、通道高度0.6mm等平板式燃燒器合

5、理的運行參數(shù)；隨后,設計了內部帶有多孔介質、內壁面催化以及入口設置穩(wěn)流凸臺等三種優(yōu)化的燃燒器結構形式以及新型帶有預熱通道的平板式微燃燒器,分析了采用這些優(yōu)化結構后的燃燒性能和壁面溫度分布特征,并對比了它們對于提高系統(tǒng)工作性能所帶來的積極作用,其中入口穩(wěn)流凸臺的設置可使系統(tǒng)在1500mL／min的混合氣流量下獲得了1.12％的整體效率,這可在一般矩形噴口燃燒器基礎上提高33.9％。
　　 (4)為進一步提高裝置的能量轉化效率,在系

6、統(tǒng)中設置了一維Si／SiO2光子晶體濾波器,以實現(xiàn)對不可用輻射能的回收利用。根據(jù)光學薄膜的設計理論以及傳輸矩陣的方法,獲取了該類型濾波器的基本設計結構及對應的光學特性,并針對基本結構第一反射帶寬度過窄的缺點,作出了相應的改進設計。系統(tǒng)整體計算的結果表明,過濾器的使用可在有效緩解電池冷卻負荷的同時,通過提高輻射壁面的溫度以達到提升系統(tǒng)輸出性能的效果。在1500mL／min的混合氣流量下,采用改進結構過濾器的系統(tǒng)功率輸出達到了5.46W,其

7、效率為2.6％,比采用基本結構過濾器時提高了5.7％。
　　 (5)微動力系統(tǒng)并不僅僅是常規(guī)尺度原型的簡單縮小,不同裝置都應該有其尺度上的極限,但很少有學者針對整體裝置的尺度極限展開相關研究。本文的最后,針對平板式的微熱光電系統(tǒng),在考慮部件強度以及制造難度的基礎上,結合文獻資料、前期的微燃燒實驗以及光電池冷卻計算分析等,確定出一個完整的能量轉換單元的極限尺寸為10mm×8mm×2.5mm,在1500mL／min的混合氣流量下單元