[发明专利]一种微型热电发电装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种功率需求在几瓦量级的微型热电发电装置。

背景技术

电源功率需求在几瓦到几十瓦电源机电产品广泛用于军事、医疗、科研和日常生活电子产品中，目前供能系统主要是电池产品，但电池产品普遍存在能量密度低、稳定供能持续时间短、续能不方便等缺点，新型电池如微型燃料电池系统也正处于研究开发中。基于燃料燃烧的微动力系统具有能量密度高，如在10％的化学能-电能转换效率下，基于燃烧的微动力系统单位质量或体积输出功率远大于现有的供能系统，而且基于燃烧的微供能系统能够提供持续、稳定的输出，具有续能方便的优点。

现已开发的基于燃烧的微发电系统主要分为两类，其一为采用热机进行化学能——机械能——电能转换；其二为采用功能材料转换模块实现热能——电能的直接转换。前者如微型燃气透平、微型三角转子发动机和微型活塞式内燃机等，通过微型热机与微型发电机连接产生电能；后者如热光伏和温差热电直接转换等产生电能。与微型热机供能系统比较，热电直接转换没有任何移动部件，系统可靠性高，是容易实现和有潜力的微发电系统。

但现有的热电直接转换系统中，由于热电模块受高温限制，必须维持其壁面温度处于较低的范围(200300℃)。而微尺度下，热电模块的壁面温度与燃烧器内火焰温度非常接近，当降低热电模块壁面温度时，火焰温度显著降低，导致燃烧反应不稳定甚至熄火。因此，目前微热电直接转换系统燃烧器基本采用催化燃烧，燃料采用氢气、甲烷等。但是，一方面催化反应整体温度还是要维持在500-600℃，仍高于热电模块的高温限制，另一方面催化燃烧反应速度低于气相反应，因此微尺度下催化燃烧器的有效热负荷和能量密度会降低。此外，微燃烧器内的催化剂是否能够长期稳定、有效工作还需要进一步检验。

发明内容

本发明的目的在于提出一种微型温差热电直接转换发电系统，其燃烧稳定性、燃烧效率和热电效率均优于现有的微发电系统的微型热电发电装置。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

微型热电发电装置，包括燃烧器和热电模块，特别地，所述燃烧器的内腔被平行且对齐的第一多孔平板和第二多孔平板划分成第一进气腔、第二进气腔和燃烧室；所述燃烧室处在第一多孔平板和第二多孔平板之间；尾气通道正对第一多孔平板和第二多孔平板之间的中央位置，与燃烧室连通；尾气通道与热电模块的热端进行热传导；在热电模块的冷端设有水冷装置。

本发明微型热电发电装置优选以二甲醚作为燃料。二甲醚沸点低，低压下可以液化，因此储存和运输比氢气和碳氢燃料方便、安全。同时二甲醚燃料含有氧元素，其点火和燃烧容易控制，非常适合燃烧型的微发电系统。也可以选用其他燃料，如氢气、甲烷等碳氢燃料。

本发明燃烧器采用独特的低热损失平面火焰燃烧技术，其燃烧室由两块平行的烧结多孔平板之间的狭缝空间组成，燃料和空气混合气穿过多孔平板均匀进入燃烧室，由燃烧器内的点火装置点火，形成贴近多孔壁面表面的平面火焰。火焰的形成方式能有效避免壁面与火焰直接接触，可以维持燃烧器的多孔平板温度远低于火焰温度；与此同时，混合气穿过多孔平板时能被有效预热，可以实现贫燃料工况下稳定燃烧，同时还可以有效降低燃烧器壳体的温度和热损失。

以上所述尾气通道优选平板状通道，这样能使得燃烧后的尾气的热量迅速且均匀地传递至热电模块的热端，增强热量的利用效率。还可考虑在尾气通道与热电模块的热端之间设置导热片，以增强导热效果。

以上所述水冷装置可以是冷却水套，可以与热电模块的冷端直接接触。其中，冷却水套优选开式循环型。

本发明的工作原理：燃烧器通过燃料的燃烧，利用其高温尾气加热热电模块的热端，使热电模块的热端和热电模块的冷端之间产生温度差，从而将该温度差转换成电能输出。本发明利用平行且对齐的多孔平板作为燃料的通透装置，令燃料能充分地燃烧并释放热量，达到充分利用燃料的目的，还能充分利用燃烧器内的有限空间组织燃烧，以提高燃烧效率，在确保热电模块的热端温度不高于温度上限的前提下，进行稳定的燃烧，使热电模块处在最优的工作温度范围内。另外，尾气通道可同时收集两个多孔平板上的高温尾气，使得燃烧器的外壳温度降低，热量散失减少，并把热量充分转移至热电模块的热端，在燃料量一定的情况下，提高热电模块的热电转换量。而制成平板状的尾气通道更能迅速且均匀地把热量传递至热电模块的热端。由于热电模块的发电量是由热端和冷端之间的温差决定，因而热电模块的冷端采用水冷的方式，能有效提高热电模块的发电量。