[发明专利]一种基于燃烧的微小型热电发电装置

说明书

技术领域

本发明属于微小尺度热电发电技术领域，特指为微小型动力装置提供电源的发电装置。

背景技术

不断涌现的各种微电子机械系统（MEMS），如微型飞行器、微型推进系统、微型机器人、微型传感器以及手机等便携式电子设备，要求其动力系统要具备体积小、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燃料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。

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。这种发电方法的优点是重量轻、体积小、没有转动部件、无磨损、无噪音，故可长久使用，安全可靠。目前已有研究者利用燃烧产生的热量通过热电模块进行发电，但是效率普遍比较低，最高也只有1%左右。这主要是由于热电模块冷、热端的温差太小造成的。为了形成较大的冷、热端温差，一般可以采取两种方式。一种是被动式，通过在冷端加装金属翅片来加强散热，降低冷端温度。例如，新加坡的研究小组即采用了这种方式。其缺点是会增加系统的体积、重量和成本。另一种是主动式，通过泵或风机来驱动水或空气对冷端进行强迫对流换热，从而降低冷端温度。例如，中科院广州能源研究所开发的热电发电系统就采用了水冷装置。然而，这种方式不仅增加了结构复杂程度，而且需要消耗额外的动力，因此降低了系统的效率。由上可见，仍然需要寻求更好的热电模块的冷端冷却方式。

除此以外，在基于燃烧的微小型热电发电系统中，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值（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，燃料和空气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，而且燃料的吹熄极限和稳燃范围也大大缩小。为了提高微小型燃烧器中火焰的稳定性，研究者们主要采用热循环、催化反应、燃烧室表面钝化处理、回流区稳燃等几种办法。然而，单一的稳燃方法达不到最佳效果，需要开发两种或多种方式相结合的稳燃方式。

鉴于此，目前基于燃烧的微小型热电发电系统还有两大问题亟待解决，即有效的冷端冷却方法和高效的稳燃方法，本发明提出了一种能同时解决这两个问题的新系统。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种微小型气体燃烧热电发电装置，该发电装置具有结构紧凑、稳燃范围宽、燃烧效率高和运行稳定可靠的特点。

本发明提供的一种基于燃烧的微小型热电发电装置，其特征在于，该装置包括第一至第四预热通道，钝体稳燃器，燃烧室，以及第一、第二热电模块，第一至第四预热通道以及燃烧室均为平板型；

钝体稳燃器安装在燃烧室的进口处，钝体截面为三角形或半圆柱形；第一热电模块位于第一预热通道与第三预热通道之间；第一预热通道的入口作为第一进气口，用于通入燃料或燃料/空气混合物，第一预热通道的出口与第三预热通道的入口相连通，第三预热通道的入口与燃烧室的进口相通；

第二热电模块位于第二预热通道与第四预热通道之间；第二预热通道的入口作为第二进气口，用于通入空气或燃料/空气混合物，第二预热通道的出口与第四预热通道的入口相连通，第四预热通道的入口与燃烧室的进口相通。

作为上述技术方案的改进，在第一至第四预热通道内均布置叉排翅片。

作为上述技术方案的进一步改进，钝体稳燃器的宽度与燃烧室的宽度之比在0.3至0.6之间。