非能动微热光电、微热电和微热联合动力系统及实现方法

摘要

本发明公开了一种非能动微热光电、微热电和微热联合动力系统，包括用于将气态的碳氢燃料和空气进行催化反应、从而产生热能的非能动热源单元，通过管道与该非能动热源单元连接、用于将热能先转换成光再转换成电并形成一级产电输出的微热光电单元，通过管道与该微热光电单元连接、用于将热能转换成电并形成二级产电输出的微热电单元，以及通过管道与该微热电单元连接、用于将热能转换成电并形成三级产电输出的微热动力单元。本发明结构合理、设计巧妙，大幅提高了整体系统的输出能量效率，满足了更高的能量密度输出需求，因此，本发明适于推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种动力系统，具体涉及的是一种非能动微热光电、微热电和微热联合动力系统及实现方法。

背景技术

随着微机电系统(Micro-electromechanical System)MEMS的快速发展，对具备高比能的微能源转换系统的需求也快速增长。在微小尺度上实现能源转换，除了传统的电池以外，还有微燃料电池、微燃气轮机、微转子发动机、微热电发生器、微热光电发生器等。这些在微尺度上实现能源转换的装置或系统称为微动力机电系统(Power MEMS)。微动力机电系统是近十多年来国际上的研究热点，其显著特点在于使用碳氢燃料在微装置中燃烧使得化学能转换为电能。碳氢燃料的比能非常高，可以达到45MJ/kg，而目前最好的锂离子可充电电池则约为1.2MJ/kg，前者为后者的数十倍。

采用碳氢燃料，微尺度的PowerMEMS有希望实现十倍于电池的微能源转换，满足高速发展的微机械工业的动力来源需要。对比传统的大尺度能源转换系统，PowerMEMS同样占据优势。以喷气式飞机的发动机为例，其能量密度为10W/g，相对于普通内燃机的1W/g已经提升至约10倍。但PowerMEMS可以突破100W/g，比喷气式发动机的能量密度还高10倍。如此高的能量密度使得许多需要高能供应的应用有了实现的可能，同时也对未来动力机械的发展产生极大的促进作用。此外，由于碳氢燃料的存储特性，可以在微尺度PowerMEMS上实现长时间的供应，从而可以产生长时间的连续电能。这点特性，对于许多需要长时间电能供应的应用场合，具有极大的现实意义，例如野外作业、航空航天等。

PowerMEMS按照其能源转换方式的不同可以划分为微燃料电池、微燃气轮机、微转子发动机、微热电发生器、微热光电发生器等多种。不同的PowerMEMS在能量密度、应用要求等方面具备不同的特点。采用碳氢燃料的PowerMEMS，可以同时实现长时间和高能量密度的电能供应，所以有希望在微能源转换方面达到传统电池所不能达到的高度，从而有望在军事和民用方面可以获得广泛的应。

在军事方面，采用碳氢燃料的PowerMEMS，可以作为动力来源，应用在需要长续航和高能量密度能源的无人机、机器狗、战场机器人和外骨骼装置上，使得这些高新装备的续航从数十分钟的量级提升至24小时或以上，从而为这些战场机械的高强度连续作战提供实现的基础。而在民用方面，高比能的PowerMEMS可以作为移动电源的电力供应来源。例如数十个PowerMEMS的联合，采用氢气作为燃料时，可以替代目前汽车的内燃机，以实现汽车的清洁排放和长久续航。相比于电动车的电池和普通内燃机的能量输出，采用PowerMEMS的汽车，有希望获得十倍于目前汽车的续航，且可以实现非常低的能耗目标。分布式的微尺度小型能源系统，则可为偏远地区提供高效低耗的电能供给。如果在军事和民用方面广泛采用PowerMEMS作为移动能源的转换系统，可以极大地节约能源，并可减少雾霾的产生几率，进而为环境保护提供保障。

然而，由于微热光电和微热电需要碳氢燃料在较高温度下反应才能获得足够的能量输出，因此，目前的光电和热电材料的转换效率较低，导致了整体输出能量效率不高，而微热机械动力装置虽然能量输出效率较高，但是由于存在机械运动部件，对于高速运动部件的密封和损耗问题还需进一步解决。因此，现有的微动力机电系统由于设计上还不够完善，因而还无法满足上述理论能量输出需要。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种非能动微热光电、微热电和微热联合动力系统及实现方法，可大幅提高整体能量的输出效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

非能动微热光电、微热电和微热联合动力系统，包括用于将气态的碳氢燃料和空气进行催化反应、从而产生热能的非能动热源单元，通过管道与该非能动热源单元连接、用于将热能先转换成光再转换成电并形成一级产电输出的微热光电单元，通过管道与该微热光电单元连接、用于将热能转换成电并形成二级产电输出的微热电单元，以及通过管道与该微热点单元连接、用于将热能转换成电并形成三级产电输出的微热动力单元。

具体地说，所述非能动热源单元为表面通过超声浸渍法负载了Cu、Pd、Pt或Ni催化剂的催化部件。

进一步地，所述催化部件为柱形、板形或双层柱形结构。

再进一步地，所述微热光点单元包括玻璃容器，沉积在该玻璃容器内壁上的辐射发光层，以及设置在玻璃容器外壁上的光电转换单元；所述辐射发光层与非能动热源单元连接。

作为优选，所述辐射发光层由SiC、Al₂O₃或MgO材料制成。

作为优选，所述光电转换单元由GaSb材料制成。

更进一步地，所述微热动力单元包括微热机械动力装置，以及与该微热机械动力装置连接的微型发电机。

基于上述系统，本发明还提供了该联合动力系统的实现方法，包括以下步骤：

(1)向非能动热源单元内充入碳氢燃料和空气与催化剂混合，发生非能动催化反应，生成气态产物和高温热气；

(2)高温热气首先进入到微热光电转换单元中，使微热光电单元中的辐射发光层发出高能光子，然后高能光子在光电转换单元表面产生电子，形成一级产电，并向外输出电能，同时，高温热气温度降低，形成中温气体；

(3)中温气体继续进入到微热电单元中，热能转换为电能，形成二级产电，并向外输出，同时，中温气体温度降低，形成中低温气体；

(4)中低温气体继续进入到微热动力单元内，热能先转换为机械能，然后再转换为电能，形成三级产电，并向外输出。

本发明的设计原理在于，本发明将三种PowerMEMS进行有效联合，研发了微型联合能源动力系统。该系统采用非能动设计，使得燃料在相对较低温度下反应，首先通过微热光电部件产生电，然后再将余热通过微热电部件发电，最后将残余燃料在微热机械动力装置内反应，以较低转速产电。三者结合的设计，可以最大化利用燃料和燃料产生的热，使得目前整体输出能量效率较低(小于1％)的问题有希望得到解决。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明结构合理、设计巧妙，其通过结合不同微动力机电系统的优点，在对碳氢燃料及其产生热经过充分的利用后，可以产生较目前更高能量密度输出的电力，从而进一步驱动需要电力的设备工作，为未来无人机等小型移动机械提供高能量密度输出的动力源提供保障。

(2)本发明中，微热光电、微热电部件的材料研发对联合能源动力系统的能量输出有着重要关系，低能带隙的光电转换材料(例如GaSb)和高效的热光转换材料(例如SiC、Al₂O₃或MgO)对提高系统的整体输出效率有着较大的促进作用。而由于热电转换材料限于目前材料的研发现状，无法达到高转换效率的热电转换，因此，采用微热光电部件之后的中温热进行热电转换是比较可行的方式，而剩余的热能利用微热动力机械(例如微型发电机)加以利用，则可以更好地提高整体能量的输出效率。

(3)本发明还分别降低了对三种微动力单元的要求，在设计和制造方面的成本更低，从而很有可能获得实际的工程应用。此外，非能动的燃料反应方式，不仅降低了燃料反应时的安全风险，而且降低了安全防护的成本，因而也非常有利于该微型联合系统的工程应用推广。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-非能动热源单元，2-微热光电单元，3-微热电单元，4-微热动力单元。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1所示，本发明提供了一种微型的联合能源动力系统，相比传统的PowerMEMS，本发明包含了通过管道依次连接的非能动热源单元1、微热光电单元2、微热电单元3和微热动力单元4。

所述的非能动热源单元1用于将气态的碳氢燃料和空气进行催化反应，从而产生热能，在本实施例中，非能动热源单元1为表面通过超声浸渍法负载了Cu、Pd、Pt或Ni催化剂的催化部件(例如多孔不锈钢或陶瓷蜂窝)，催化部件的形状可为柱形、板形或双层柱形。实验表明，采用本发明所述的催化部件，其可在10s内启动反应，反应效率可达99％，并且在空气气氛中可抗杂质气体毒化并可长期使用10000h以上。

所述的微热光电单元2用于将热能先转换成光再转换成电并形成一级产电输出，具体地说，该微热光电单元2包括玻璃容器，沉积在该玻璃容器内壁上的辐射发光层，以及设置在玻璃容器外壁上的光电转换单元。本实施例中，辐射发光层由SiC、Al₂O₃或MgO材料制成，其用于吸收热气，并产生高能光子；而光电转换单元则由GaSb材料(低能带隙的光电转换材料)制成，用于将发出的光子转换成电能。

所述的微热电单元3用于将热能转换成电能，并形成二级产电输出，而微热动力单元4则用于将热能转换成电能，并形成三级产电输出。本实施例中，所述的微热动力单元4包括微热机械动力装置，以及与该微热机械动力装置连接的微型发电机。

本发明的工作过程如下：

首先，向非能动热源单元1内充入碳氢燃料和空气与催化剂混合，发生非能动催化反应，生成气态产物和高温热气。高温热气通过管道进入到微热光电转换单元2中，使微热光电单元2中的辐射发光层发出高能光子，然后高能光子在光电转换单元表面产生电子，形成一级产电，然后通过外部传输线路向外部设备(例如电子器件或电池)输出电能，同时，高温热气温度降低，形成中温气体。

而后，中温气体继续通过管道进入到微热电单元3中，热能继续转换为电能，形成二级产电，并向外输出电能。由于目前热电材料的限制，过高温度的气体难以获得最大效率的电输出，因此，本发明向微热电单元通入中温气体，可以在实现最大电输出的同时，不浪费热能。

经过微热电单元3后的中温气体温度降低，形成中低温气体，然后继续通过管道进入到微热动力单元4内，此时，剩余的热能大部分转换为机械能，然后再由微型发电机转换为电能，形成三级产电，并向外输出。在此过程中，由于高温气体驱动微热机械动力装置会导致内部机械转速过高，造成对微热动力机械材料和加工工艺的要求较高(例如密封和损耗速率要求)，而本发明采用中低温气体驱动微热机械动力装置，可以大幅降低对微热动力机械材料和加工工艺的要求。并且，从整体系统的输出效率上来看，中低温气体基本属于废气，在本发明中被作为三级产电输出利用，可以有效提高整体系统的输出电效率。

本发明通过合理的结构及流程设计，以气体温度逐步降低为导向，实现了多级产电的目的，从而大幅提高了动力系统的产电效率，满足更高的能量密度输出需求。并且本发明在进行材料和结构的进一步优化研究后，还可进一步提高整体输出效率。因此，与现有技术相比，本发明进步十分明显，其具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。