CN102638198A - 一种基于热管原理冷却的微热光电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于热管原理冷却的微热光电系统，微燃烧器包括玻璃遮罩和设置在玻璃遮罩内腔中的微燃烧室，玻璃遮罩和微燃烧室的两侧及顶部之间均留有空隙，微燃烧室外壳的顶板是多孔介质面板；在接近微燃烧室外壳底板处的微燃烧室外壳的内侧壁厚度减薄，形成一个突扩结构；玻璃隔热层与光电池的一侧紧密相连，光电池的另一侧与平板热管无缝连接；玻璃遮罩的底板上布置均与玻璃遮罩和微燃烧室之间的空隙相通的氢气入口和氧气入口；微燃烧室正上方是气体冷却系统，冷却通道底面由玻璃遮罩、玻璃隔热层及光电池的顶面组合成，冷却通道的左右侧面是平板热管的内侧面；提高燃烧反应速度和燃烧效率，获得均匀温度场分布，减小燃烧器热量损失。

Description

一种基于热管原理冷却的微热光电系统

技术领域

 本发明属于微动力机电系统领域，具体涉及一种微热光电系统。

背景技术

微热光电系统由微燃烧器、光电转化系统以及光电池冷却通道组成，由氢气和氧气在微燃烧器内燃烧释放出化学能，使燃烧器壁面处于高温状态，通过微燃烧器外表面选择性涂层材料，能发射一定波长的光谱，由半导体光伏材料吸收并进行光电转换，实现电能的输出，整个过程集中在数十立方厘米甚至数立方厘米的空间，能量密度高(为锂电池的10倍以上)，结构简单，成本低廉且电压稳定。

微热光电系统中的光电功能材料承受高温能力差，需要冷却才能维持发电系统正常工作，如何布置简单、高效的微冷却通道进而改善系统冷却性能、适应能量密度越来越高的趋势是微热光电系统急需解决的关键问题。

微燃烧器是系统的核心部件，要求其性能稳定，能提供持续、稳定的高温热源，同时安全性好，能量密度高，尾气排放符合环境要求。现有微燃烧器的缺陷是；1、当常规尺度的燃烧器缩小为数立方厘米时，火焰被局限在狭小空间里，氢气和氧气(空气)混合程度减弱，在燃烧器的停留时间缩短，易发生不完全燃烧，导致辐射器表面温度较低，能量转化效率不高。2、随着燃烧室尺寸的减小，燃烧室的表面积和体积比大幅增加，这使得微燃烧器散热损失急剧增加，降低了火焰温度，进而影响了火焰稳定性和发生熄火，热效率降低。

 发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足而提供一种能量转化效率高、性能稳定的微热光电系统。

本发明采用的技术方案是：具有微燃烧器，微燃烧器包括玻璃遮罩和设置在玻璃遮罩内腔中的微燃烧室，玻璃遮罩和微燃烧室的两侧及顶部之间均留有空隙，微燃烧室由微燃烧室外壳和多孔介质面板组成，微燃烧室外壳的顶板是多孔介质面板；在接近微燃烧室外壳底板处的微燃烧室外壳的内侧壁厚度减薄，形成一个突扩结构；在微燃烧室外壳的外侧壁上有选择性涂层；玻璃遮罩外侧壁固定贴合一层玻璃隔热层，玻璃隔热层与光电池的一侧紧密相连，光电池的另一侧与平板热管无缝连接；玻璃遮罩的底板上布置均与玻璃遮罩和微燃烧室之间的空隙相通的氢气入口和氧气入口；微燃烧室的正上方是气体冷却系统，气体冷却系统由冷却气体入口、冷却通道和冷却气体出口组成，冷却气体入口和冷却气体出口分别分布在气体冷却系统的前、后两侧，冷却气体入口和冷却气体出口之间连接冷却通道。冷却通道的底面由玻璃遮罩、玻璃隔热层以及光电池的顶面组合而成，冷却通道的左、右侧面是平板热管的内侧面。

本发明采用上述技术方案后具有如下有益效果：

1、本发明增设了燃料气体的预热通道，利用燃烧器壁面的散热加热预热气体，提高反应物焓值,同时氢气和氧气在预热通道上部空间充分混合，经多孔介质的进气面板均匀进入燃烧室， 提高燃烧反应速度和燃烧效率，获得相对均匀的温度场分布，降低燃料熄火间距，减小燃烧器的热量损失，提高能量利用效率。

2、本发明采用突扩结构的微燃烧器产生回流区实现稳定的微尺度燃烧，流道突然扩大，在突扩区内形成高温回流，增强燃料混合程度，延长燃料混合物在燃烧室的停留时间，有利于实现稳定燃烧。当混合气体流速不变时，微燃烧室的稳定燃烧界限有所扩展。

3、本发明利用流体相变换热极大提高通道散热能力，同时又避免常规高速气体冷却流动产生的噪声污染。

4、本发明不仅减小微燃烧室外壳侧壁的能量损失，提高燃气的进口焓，实现燃料气体较好的稳定燃烧，且燃烧效率提高，维持稳定燃烧的氢氧混合比区间相应扩展，有效提高能量利用率；利用基于热管原理的相变换热极大提高通道散热能力，能很好满足光电系统能量密度越来越高的需求。

附图说明

图 1 为本发明基于热管原理冷却的微热光电系统的外轮廓主视图；

图 2 为图1的左视图；

图 3 为图1的内部结构图； 

图 4 为图1中气体冷却系统4的俯视图及气体流向示意图；

图 5 为图1中气体冷却系统4的左视图；

图中：1.微燃烧器；2.光电池；3.平板热管；4.气体冷却系统；5.玻璃隔热层；6. 玻璃遮罩；7.微燃烧室外壳；8.氢气预热通道；9.气体混合区；10.多孔介质面板；11.氧气预热通道；12.涂层；13. 微燃烧室；14. 突扩结构；15.氢气入口；16. 排气出口；17.氧气入口；18. 冷却气体入口；19.冷却通道；20.冷却气体出口。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明由四部分组成：微燃烧器1、光电池2、平板热管3和气体冷却系统4，最上部是气体冷却系统4，微燃烧器1位于气体冷却系统4的正下方且与气体冷却系统4连接。

如图1-3所示，微燃烧器1包括玻璃遮罩6和微燃烧室13，玻璃遮罩6采用有机石英玻璃，在玻璃遮罩6的内腔中设置微燃烧室13，玻璃遮罩6和微燃烧室13的底面相齐平，玻璃遮罩6和微燃烧室13的两侧及顶部之间均留有空隙。微燃烧室13由微燃烧室外壳7和多孔介质面板10组成，微燃烧室外壳7采用较强耐高温性能的SiC陶瓷。微燃烧室外壳7的顶板是多孔介质面板10，微燃烧室外壳7的底板与玻璃遮罩6的底板相齐平，微燃烧室外壳7的底板上开有排气出口16。在接近微燃烧室外壳7底板处的微燃烧室外壳7的内侧壁厚度减薄，形成一个突扩结构14。在微燃烧室外壳7的外侧壁上有选择性涂层12，涂层12能发射一定波长的光谱，由半导体光伏材料吸收并进行光电转换。

玻璃遮罩6外侧壁固定贴合一层耐热的玻璃隔热层5，玻璃隔热层5与光电池2的一侧紧密相连，光电池2的另一侧与平板热管3无缝连接。光电池2采用转化效率高且成本相对低的GaSb电池，平板热管3中是工质HCFC-141b（二氯一氟乙烷）。

在玻璃遮罩6的底板上布置氢气入口15和氧气入口17，氢气入口15和氧气入口17均与玻璃遮罩6和微燃烧室13之间的空隙相通，这样，玻璃遮罩6内侧壁与微燃烧室外壳7外侧壁之间的空间形成氢气预热通道8和氧气预热通道11，玻璃遮罩6与微燃烧室外壳7顶部之间的空隙形成气体混合区9。

如图4-5所示，气体冷却系统4由冷却气体入口18、冷却通道19和冷却气体出口20组成，气体流向见图4中的箭头方向。冷却气体入口18和冷却气体出口20分布在气体冷却系统4的前、后两侧，冷却气体入口18和冷却气体出口20之间连接冷却通道19。冷却通道19的底面是由玻璃遮罩6、玻璃隔热层5以及光电池2的顶面组合而成，冷却通道19的左、右侧面是平板热管3的内侧面。

 本发明工作时，在常温和一个标准大气压下，氢气和氧气流量经各自微型阀门调节控制，以一定比例通过氢气入口15和氧气入口17进入氢气预热通道8和氧气预热通道11，吸收微燃烧室外壳7竖壁外侧辐射和对流热量，焓值升高，在气体混合区9混合，经多孔介质面板10均匀进入微燃烧室13进行燃烧。微燃烧室13出口布置的突扩结构14，有益于高温燃气回流，增加高温气体在微燃烧室13的混合和停留时间，提高燃烧效率。氢气和氧气燃烧释放的热量使微燃烧室外壳7竖壁外侧处于高温状态，通过涂层12，发射特定波长光谱，由光电池2吸收并进行光电转换对外输出，燃烧尾气最后由排气出口16排出装置。光电池2吸收热量后，温度升高，其热量经平板热管3的管壁被管内工质HCFC-141b（二氯一氟乙烷） 吸收气化，蒸汽在平板热管3内上升，在平板热管3上部被气体冷却系统4冷却，被冷却后的液体利用平板热管3通道狭窄拐角部分的毛细作用回流，完成质量和能量循环。

Claims (1)

1.一种基于热管原理冷却的微热光电系统，具有微燃烧器（1），微燃烧器（1）包括玻璃遮罩（6）和设置在玻璃遮罩（6）内腔中的微燃烧室（13），玻璃遮罩（6）和微燃烧室（13）的两侧及顶部之间均留有空隙，其特征是：微燃烧室（13）由微燃烧室外壳（7）和多孔介质面板（10）组成，微燃烧室外壳（7）的顶板是多孔介质面板（10）；在接近微燃烧室外壳（7）底板处的微燃烧室外壳（7）的内侧壁厚度减薄，形成一个突扩结构（14）；在微燃烧室外壳（7）的外侧壁上有选择性涂层（12）；玻璃遮罩（6）外侧壁固定贴合一层玻璃隔热层（5），玻璃隔热层（5）与光电池（2）的一侧紧密相连，光电池（2）的另一侧与平板热管（3）无缝连接；玻璃遮罩（6）的底板上布置均与玻璃遮罩（6）和微燃烧室（13）之间的空隙相通的氢气入口（15）和氧气入口（17）；微燃烧室（13）的正上方是由冷却气体入口（18）、冷却通道（19）和冷却气体出口（20）组成的气体冷却系统（4），冷却气体入口（18）和冷却气体出口（20）分别分布在气体冷却系统（4）的前、后两侧，冷却气体入口（18）和冷却气体出口（20）之间连接冷却通道（19），冷却通道（19）的底面由玻璃遮罩（6）、玻璃隔热层（5）以及光电池（2）的顶面组合，冷却通道（19）的左、右侧面均是平板热管（3）的内侧面。

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