基于甲烷燃烧的热电转换特性实验的研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：084314 基于甲烷燃烧的热电转换特性实验研究 杨庆涛，钟北京，龚景松 （清华大学航天航空学院，北京100084） (Tel: 010 Email: zhongbj@tsinghua.edu.cn) 摘要：本文介绍了基于温差热电转换原理的小型燃烧温差热电转换系统，并通过实验研究了小型甲烷 燃烧器的性能特点，并对影响温差发电系统发电性能的因素进行了研究分析。实验表明：小型燃烧器 工作稳定可靠，可燃流量范围和着火当量比范围较宽；负载电阻、当量比、输入能量（燃料流量）以 及外界换热条件都会对系统的功率输出和效率产生明显的影响。实验中获得了最高 569mW 的功率输出 和 0.55%的系统发电效率。 关键词：甲烷燃烧，热电转换，着火极限，发电效率 0 前言 便携式电子产品和微机电系统(MEMS) 的迅速发展及广泛应用，对其所采用的电源 的能量密度提出了很高的要求，急需一种能量密度高，能量补充快捷的便携式电源或为 MEMS 产品供电的微型电源，这方面的研究已经受到许多国家的高度重视。在民用科技 领域，便携式电子产品的应用日益普及，这些产品对高能量密度电源的需求也在持续增 长。常规便携式电源 (如：化学储能电池) 的体积和重量已经成为开发便携式产品的主 要障碍，而且其有限的能量密度成为电池技术发展的难题之一，因此开发高能量密度的 微型、便携式电源具有重要的理论和实际意义。 基于燃烧的微动力系统 (Power MEMS)[1] [2] 利用了碳氢燃料的高能量密度 。例如， 甲醇、丙烷和丁烷等碳氢燃料的能量密度是能量密度最大的传统化学电池——锂离子电 池的几十倍[3] 。与传统电池相比，基于燃烧的微动力系统具有体积小、能量密度高、工 作时间长、携带方便、寿命长等优点。因此，微小型动力系统是获取高能量密度电池的 有效途径。 利用微动力系统研究平台，使甲烷/空气混合气体在小尺度燃烧器内预混燃烧，并在 燃烧器外表面连接 Bi Te 热电材料，利用燃烧器表面的高温与室温环境之间的温差，实 2 3 现了毫瓦级的电力输出。本文介绍了小型燃烧器温差发电的实验过程与结果，并对负载 电阻、当量比以及换热条件等对发电输出功率和效率的影响进行了分析。 1 实验系统与实验过程 实验平台系统的构成如图 1 所示，主要包括气路系统、数据测量和控制系统、微小 燃烧器、温差发电器及电参数测量系统、烟气分析系统。燃料经过减压后，利用智能流 量计调节流量，经过预混后进入微小燃烧器。为保证安全性，每条管路在进入微小燃烧 器之前均通过一个单向阀。利用温差发电的原理，将燃烧产生的热量转化为电能。在实 国家自然科学基金资助项目(No.No.50721140648) 验过程中，利用计算机对智能流量计进行控制，并对微小燃烧器的出口及表面温度分布 进行时时测量。出口烟气成分可以利用色谱分析仪进行分析。经过实验验证，系统性能 稳定、控制方便、测量重复性好，较好地满足了微动力系统实验研究的需要。 发电实验所采用的温差发电元件（材料为 Bi Te ）尺寸为40mm×40mm×3mm，为了 2 3 与发电元件配合，设计了相应的小型燃烧器，其结构如图 2 所示。内径 Ф6mm 的燃烧器 由耐热钢制成，两端高度为 3mm 的空间由钢丝网折叠填充构成多孔空间，使气体流速 分布比较均匀。甲烷/空气预混气经过 Ф3×0.