平板式微熱光電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過程的研究.pdf

1、在微加工技術(shù)強(qiáng)有力的推動(dòng)下,微型機(jī)械和機(jī)電產(chǎn)品的研發(fā)獲得持續(xù)的突破,但其動(dòng)力供給部分卻未能獲得大的進(jìn)展,致使完整微機(jī)電系統(tǒng)過大過重或者不能長時(shí)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(dòng)力裝置由于具有能量密度高、工作時(shí)間長、體積小等優(yōu)點(diǎn),有望很好地解決這一問題,其能量密度被認(rèn)為能夠突破100kW／kg,因而受到世界范圍內(nèi)的普遍關(guān)注,并成為了各國科研競爭的焦點(diǎn)之一。
　　 微熱光電系統(tǒng)是一種典型的微動(dòng)力裝置,它

2、利用碳?xì)淙剂显谖⑷紵鲀?nèi)燃燒產(chǎn)生的熱能對(duì)燃燒室壁面進(jìn)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(dòng)力裝置相比,該系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)在于無運(yùn)動(dòng)部件、制造裝配相對(duì)容易。本文對(duì)圓柱結(jié)構(gòu)微熱光電系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn),給出了新型平行板結(jié)構(gòu)的模塊化微熱光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值的研究成果:
　　 (1)針對(duì)新型平行板結(jié)構(gòu)的微熱光電系統(tǒng),分析了

3、能量轉(zhuǎn)換的各個(gè)環(huán)節(jié),包括燃燒器中流動(dòng)、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(zhuǎn)換過程。在考慮輻射壁面溫度分布不均勻性的前提下,結(jié)合Fluent和Matlab軟件構(gòu)建了一個(gè)從燃料化學(xué)能輸入到電能輸出的三維整體能量轉(zhuǎn)換計(jì)算模型,并結(jié)合初步實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果對(duì)模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)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(duì)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(guān)鍵

4、參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的工作表現(xiàn)進(jìn)行了一系列的計(jì)算,得出這些參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律,從而為平板式系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供出合理的參考依據(jù)。
　　 (3)鑒于輻射壁面溫度分布對(duì)系統(tǒng)工作性能的重要影響,針對(duì)平行板微通道內(nèi)的燃燒過程進(jìn)行了大量模擬計(jì)算,提出了將圓形噴口改進(jìn)成細(xì)長的方形噴口、適當(dāng)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(jì)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(yùn)行參數(shù)；隨后,設(shè)計(jì)了內(nèi)部帶有多孔介質(zhì)、內(nèi)壁面催化以及入口設(shè)置穩(wěn)流凸臺(tái)等三種優(yōu)化的燃燒器結(jié)構(gòu)形式以及新型帶有預(yù)熱通道的平板式微燃燒器,分析了采用這些優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的燃燒性能和壁面溫度分布特征,并對(duì)比了它們對(duì)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(tái)的設(shè)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(chǔ)上提高33.9％。
　　 (4)為進(jìn)一步提高裝置的能量轉(zhuǎn)化效率,在系

6、統(tǒng)中設(shè)置了一維Si／SiO2光子晶體濾波器,以實(shí)現(xiàn)對(duì)不可用輻射能的回收利用。根據(jù)光學(xué)薄膜的設(shè)計(jì)理論以及傳輸矩陣的方法,獲取了該類型濾波器的基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的光學(xué)特性,并針對(duì)基本結(jié)構(gòu)第一反射帶寬度過窄的缺點(diǎn),作出了相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體計(jì)算的結(jié)果表明,過濾器的使用可在有效緩解電池冷卻負(fù)荷的同時(shí),通過提高輻射壁面的溫度以達(dá)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(jìn)結(jié)構(gòu)過濾器的系統(tǒng)功率輸出達(dá)到了5.46W,其

7、效率為2.6％,比采用基本結(jié)構(gòu)過濾器時(shí)提高了5.7％。
　　 (5)微動(dòng)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(yīng)該有其尺度上的極限,但很少有學(xué)者針對(duì)整體裝置的尺度極限展開相關(guān)研究。本文的最后,針對(duì)平板式的微熱光電系統(tǒng),在考慮部件強(qiáng)度以及制造難度的基礎(chǔ)上,結(jié)合文獻(xiàn)資料、前期的微燃燒實(shí)驗(yàn)以及光電池冷卻計(jì)算分析等,確定出一個(gè)完整的能量轉(zhuǎn)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