CN202160135U - 一种基于燃烧的紧凑微发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于燃烧的紧凑微发电装置，包括有上下对称设置的两个空气冷却通道，在空气冷却通道的一端端部上设有微型散热风扇，在空气冷却通道相对的外表面上分别直接接触有温差热电模块，两个温差热电模块的一面上直接粘贴有匀热片；还包括有对称设置的预热通道，预热通道之间形成有烟气通道，每个预热通道外壁面与匀热片粘贴，预热通道内还形成有烧结多孔壁面，两个预热通道的多孔壁面之间形成有燃烧室，燃烧室内插入有点火器系统，与所述预热通道还连接有燃料/空气混合气进气管。微燃烧器、烟气通道、冷预混气体预热腔等整体设计，燃烧器和换热通道整合一起，燃烧器的外壁面与采用的热电模块结构、尺寸相匹配，减少了换热元件，有效缩小系统尺寸。

Description

一种基于燃烧的紧凑微发电装置

技术领域

本实用新型涉及到微发电装置技术领域，尤其是一种基于燃烧的紧凑微发电装置。

背景技术

大量用于军事的智能化便携式动力装备，用于医疗和科研的便携仪器仪表，以及日常生活中的各种数字电子产品等需要持续供应的毫瓦到瓦量级别的电源。目前这些电源供应系统主要是由各类电池完成，如各种高性能干电池、可充电干电池，以及可充电的锂、氢电池等。由于智能化产品的性能不断提高，其对电源要求更为苛刻，电池类电源产品的能量密度低、不能稳定持续供能和不能快速续能方面等缺点日益突出，成为严重制约了这些智能化、便携产品性能的一个关键环节。

近十多年来，基于燃料燃烧的具有高能量密度、能够提供连续功能和方便快捷续能的微动力及发电系统被概念提出并实验室示范，其主要特征是采用微燃烧装置将常规碳氢燃料燃烧释放热能，并结合各种能量转换方式实现电能的输出。理论上，即使在10％的化学能——电能转换效率下，基于燃烧的微发电系统单位质量或体积输出功率远大于现有的电池供能系统。

现有基于燃烧的微发电系统原理主要分为两类，其一为采用热机进行化学能——机械能——电能转换，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；其二为采用功能材料转换模块实现热能到电能的转换，如热光伏和温差热电直接转换等产生电能。所有这些微发电系统中，由于微型热电直接转换最简单，直接实现热能——电能转换，且系统没有任何移动部件，其可靠性高，是现阶段最容易实现的微发电系统。

在现有的热电直接转换系统中，热电模块基本上是直接贴在燃烧器的外壁面上，由于热电模块受耐温极限的限制，如采用常规的商用碲化铋(Bi2Te3)热电模块时，必须维持模块热端壁面温度在300℃以下。而微尺度燃烧特性表明，微燃烧器壁面温度与火焰温度(高达1000℃)非常接近，过高的壁面温度同时也导致燃烧器容易烧毁。为提供适合热电模块工作的热端温度场和保障燃烧器的安全性，需要降低燃烧器壁面温度，但是随着燃烧器壁面温度的降低，火焰温度同时显著降低，这将导致燃烧反应不稳定甚至熄火。因此，需要一种新型的微燃烧器及其温差热电发电技术，既能够保证燃烧器内稳定安全的燃烧，又可维持燃烧器壁面温度处于较低的范围适合温差热电模块直接利用。

目前国内外示范运行的基于燃烧的微热电直接转换系统中，不论是微直通道燃烧器还是瑞士面包圈微燃烧器，均采用燃烧器内壁表面催化燃烧，这样可以保证壁面温度相对较低。但是，催化反应温度有500～600℃甚至更高，还需要进一步降低反应温度来提供合适热电模块的壁面温度条件。另一方面，催化燃烧存在催化剂有效活性期限的问题，对微发电系统的长期稳定、可靠和有效工作的影响目前还不确定。

与此同时，对于温差热电转换的微发电系统来说，热量管理及合理利用程度决定系统的综合性能。首先要保证燃烧器内的完全燃烧程度，以提高燃烧效率，其次要减少微燃烧器和系统的散热损失，同时降低燃烧装置排烟尾气温度，以提高系统热利用效率。在瑞士面包圈微燃烧器中有回热装置，进气通道和尾气排放通道逆流换热，最大限度提高了系统热效率，但燃烧器壁面温度分布是靶型，中心区域壁面温度接近火焰温度，沿半径方向温度降低梯度很大，不利于热电模块直接高效利用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种基于燃料燃烧的微型温差热电直接转换发电系统，其主要原理是通过碳氢燃料/空气混合气在微燃烧器内燃烧产生高温烟气作为热源，利用温差热电转换原理由热电发电模块实现电能的输出，输出功率为几瓦量级。

为实现以上目的，本实用新型采取了以下的技术方案：一种基于燃烧的紧凑微发电装置，包括有上下对称设置的两个空气冷却通道，在空气冷却通道的一端端部上设有微型散热风扇，在空气冷却通道相对的外表面上分别直接接触有温差热电模块，两个温差热电模块的一面上直接粘贴有匀热片；还包括有对称设置的预热通道，预热通道之间形成有烟气通道，每个预热通道外壁面与匀热片粘贴，预热通道的一段壁面上为烧结多孔壁面，两个预热通道的多孔壁面之间形成有燃烧室，燃烧室内插入有点火器系统，与所述预热通道还连接有燃料/空气混合气进气管。

所述温差热电模块具有冷端和热端，其冷端与空气冷却通道直接接触，热端直接粘贴在匀热片上。

其系统特点是：

(1)微燃烧器采用独特的低热损失平面火焰燃烧技术。微燃烧室由两块平行的矩形粉末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板均匀进入燃烧室，由燃烧器内的直流高压脉冲电子点火器点火，形成贴近多孔壁面表面的平面火焰。通过控制烧结多孔材料间隙等结构参数，可以保证火焰稳定在燃烧内，不在多孔壁面内发生回火现象，确保多孔板的安全。多孔表面形成的平面火焰的形成能有效壁面壁面与火焰直接接触，同时预混气体流动方向与燃烧室内高温气体向壁面的热扩散方向相反，从而可以维持燃烧器壁面温度远低于火焰温度；与此同时，混合气在进入多孔壁面前被预热，在穿过多孔壁面时被再次高效预热，高的进气温度可以延展微燃烧器的可燃极限，提高了微燃烧器性能。

(2)高效热量管理系统。烟气换热方面，在燃烧室出口连接低压损失的“Y”型微型通道换热烟气通道，高温烟气流经微通道结构时，与通道壁面充分换热，可以使高温烟气迅速降温。冷混合气体预热换热方面，在燃料/空气混合气进入多孔壁面之前，冷的预混气体首先在预热腔内被高温烟气预热，冷预混气体流向与烟气流向为逆流方式，烟气通道壁面作为热源加热冷预混气体。在预热通道内散堆高换热系数的金属小圆球形成多孔蓄热换热通道，实现强化冷预混气体高效预热的目的，预混气在烧结多孔壁面内还可以进一步高效回收高温火焰对壁面的散热，从这三方面实现高的热利用效率。在热电模块冷、热端温度场保持方面，冷预混气预热通道外壁面直接作为温差热电模块热源，通过在通道外表面粘贴高导热系数的热量均匀分布薄板，实现均匀的热电模块热端温度场，系统中热电模块热端壁面完全与高温火焰接触壁面隔开，可以确保壁面壁面温度局部高温。热电模块冷端采用开式空气循环，由微型风扇和翅片微散热器实现，以保证实现热电模块在最佳的温度范围工作。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：微燃烧器、烟气通道、冷预混气体预热腔等整体设计，燃烧器和换热通道整合一起，燃烧器的外壁面与采用的热电模块结构、尺寸相匹配，减少了换热元件，有效缩小系统尺寸。

附图说明

图1为本实用新型结构剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的内容做进一步详细说明。

实施例：

请参阅图1所示，一种基于燃烧的紧凑微发电装置，包括有上下对称设置的两个空气冷却通道3，在空气冷却通道3的一端端部上设有微型散热风扇4，在空气冷却通道3相对的外表面上分别直接接触有温差热电模块5，两个温差热电模块5的一面上直接粘贴有匀热片6；还包括有对称设置的预热通道7，预热通道7之间形成有烟气通道2，每个预热通道7外壁面与匀热片6粘贴，预热通道7的一段壁面上为烧结多孔壁面8，两个预热通道7的多孔壁面8之间形成有燃烧室9，燃烧室9内插入有点火器系统10，与预热通道7还连接有燃料/空气混合气进气管1。

本实施例工作过程如下：燃料/空气混合未燃气由两个对称的燃料/空气混合气进气管1进入预热通道7，在进气腔夹层内实现气流的高效预热，然后混合气穿过多孔壁面8进入燃烧室9，在燃烧室9内被电子点火器系统10点燃，进行燃烧化学反应，燃烧产出的高温烟气流径烟气通道2后排出。

高温烟气在流过烟气通道2时，与预热通道7内逆向流动的未然冷混合气进行热交换，贴在预热通道7外壁面的匀热片6能够形成分布均匀的温度场，为温差热电模块5提供热源，温差热电模块5热端直接粘贴在匀热片6上。温差热电模块5的冷端通过与空气冷却通道3直接接触维持低温，冷却空气通过微型散热风扇提供。温差热电模块5冷热端维持恒定的温差时可以实现电力的输出。

上述的燃烧器和温差热电模块、冷却系统为对称布置。

上列详细说明是针对本实用新型可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1.一种基于燃烧的紧凑微发电装置，其特征在于：包括有上下对称设置的两个空气冷却通道(3)，在空气冷却通道(3)的一端端部上设有微型散热风扇(4)，在空气冷却通道(3)相对的外表面上分别直接接触有温差热电模块(5)，两个温差热电模块(5)的一面上直接粘贴有匀热片(6)；还包括有对称设置的预热通道(7)，预热通道(7)之间形成有烟气通道(2)，每个预热通道(7)外壁面与匀热片(6)粘贴，预热通道(7)的一段壁面上为烧结多孔壁面(8)，两个预热通道(7)的多孔壁面(8)之间形成有燃烧室(9)，燃烧室(9)内插入有点火器系统(10)，与所述预热通道(7)还连接有燃料/空气混合气进气管(1)。

2.如权利要求1所述的基于燃烧的紧凑微发电装置，其特征在于：所述温差热电模块(5)具有冷端和热端，其冷端与空气冷却通道(3)直接接触，热端直接粘贴在匀热片(6)上。

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