模块式微热光电系统的若干试验研究

摘要

微动力机电系统能够为微型机械提供长寿命、大能量密度的能源或动力,是动力装置发展的第四个里程碑,因而成为各个国家科研竞争的焦点之一。由于碳氢燃料的高能量密度和微加工技术的进步,应用微燃烧技术的微动力系统被提出并得到快速发展。微热光电系统是其中的一种,它具有结构简单、无运动部件、加工方便和操作可靠等优点。
　　 为了便于微热光电系统模块化,提高系统的能量密度,本文在圆柱型微燃烧室的基础上设计加工了微平行板燃烧室,并进行了甲烷和氢气两种燃料的微燃烧试验,获得了不同流量下的燃烧室壁面温度,验证了两种燃料微尺度燃烧的可行性；随后制作出光电池回路,进行了微热光电系统整体试验,获得了各种条件下的开路电压和短路电流,计算出了功率密度和整体效率。模块式微热光电系统若干试验研究取得的学术意义和实用价值如下:
　　 (1)燃料／氧气的总流量相同时,甲烷燃烧室的壁面平均温度更高,但氢气的燃烧室壁面温度更加均匀,梯度更小。
　　 (2)氢气比甲烷有更宽的可燃范围,本实验中甲烷／氧气在总流量为700mL／min时燃烧不能进行,而氢气能够正常燃烧。
　　 (3)气体流量增加,燃烧室壁面温度升高,光电池的输出电量升高；相比圆形喷嘴,使用矩形喷嘴能改善预混合气在燃烧室内的分布,提高燃烧驻留时间,使燃烧更充分,增大光电池的电能输出。
　　 (4)相同体积流量下,高热值的甲烷燃料比氢气燃料更能提高微热光电系统的性能。
　　 (5)试验条件下较好的性能输出数据如下:当采用矩形喷嘴和甲烷燃料时,最大输出功率为0.319W,相应的能量密度达到166146W／m3；两种燃料最大整体效率都是在流量600mL／min,且采用氢气燃料整体效率比甲烷的高,其最大效率为0.249％。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2 微尺度燃烧的现状

1.2.1 微尺度扩散燃烧

1.2.2 微尺度预混燃烧

1.2.3 微尺度催化燃烧

1.3 基于微燃烧的微动力研究现状

1.3.1 国外微动力研究进展

1.3.2 国内微动力研究进展

1.4 本文研究内容及创新点

第二章 微尺度预混合燃烧的试验装置及MTPV系统的构建

2.1 试验装置总体设计

2.2 微尺度预混合燃烧试验各系统设计

2.2.1 气体供应系统设计

2.2.2 微燃烧室的设计

2.2.3 数据采集系统

2.3 MTPV系统的构建

2.3.1 光电池以及其回路的制作

2.3.2 光电池放电量的测量

2.3.3 底座的设计

2.3.4 燃烧室燃烧图像的采集

2.4 小结

第三章 甲烷和氢气在亚毫米燃烧室内燃烧的试验对比

3.1 试验条件

3.2 试验结果与讨论

3.2.1 不同燃料和流量对壁面温度影响

3.2.2 两种燃料的平均温度和最大温度梯度

3.3 微尺度燃烧稳定性分析

3.4 小结

第四章 模块式微热光电系统整体性能的试验研究

4.1 模块式微热光电系统结构及试验方法介绍

4.1.1 模块式微热光电系统结构

4.1.2 试验方法和条件

4.2 实验结果与讨论

4.2.1 氢气流量对微热光电系统放电量的影响

4.2.2 喷嘴形状对微热光电系统放电量的影响

4.2.3 燃料对微热光电系统放电量的影响

4.2.4 微热光电系统整体效率和能量密度的计算

4.3 小结

第五章 全文工作总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文

硕士期间撰写的专利