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国家973计划课题“微型能源动力系统的设计与系统集成”简介(下)
发稿时间:2014-12-25         作者:孔文俊          来源:燃气轮机实验室     【字号:

  一、新型微能源动力系统 

  对于微小型燃气轮机,为了获得比较理想的能量密度和能效,由于尺度的大幅度减小,燃气轮机的转速需要提高到每分钟几十万转、甚至百万转以上,这样的工况对叶轮材料和轴承设计的要求都非常苛刻。因此,研究者开始寻求采用其他循环方式工作的微型热机系统。 

  微型转子发动机也称汪克尔发动机,是美国伯克利大学提出的一类利用Otto循环的微型热机系统,如图1所示。 

 

  1 伯克利大学提出的微型转子发动机 

  发动机气缸容积0.064mm3,设计输出功率13.9W,布置了一个1mm的转子,转速为30000rpm。目前,在不锈钢材质上采用放电加工技术,产生了4W的输出功率。而研究目标是研制一个大小只有几毫米、采用陶瓷材料产生约30mW输出功率的微型转子发动机以取代锂离子电池。图2是采用MEMS加工技术完成的3mm大小微型转子发动机,其转子采用碳化硅,气缸采用硅材料。 

 

  2 采用MEMS加工技术完成的3mm大小转子发动机 

  微型汪克尔效率很低,其主要原因是压比低、转子顶尖和气缸间泄漏严重,以及转子和气缸间的磨损严重。尽管研究人员一直在想办法减少泄漏,提高压比,但依然很难获得较高的热效率。 

  为解决转子发动机的密封和泄漏问题,哈利维尔公司与明尼苏达大学合作,提出了采用HCCI的自由活塞撞击式发动机,其原理如图3所示。 

 

  3 HCCI自由活塞撞击式发动机 

  该微型发动机采用庚烷、丁烷和柴油等碳氢燃料,其目标是实现1cm3体积大小,发电功率10W。实验表明,为了实现可靠的自点火,发动机要求工作频率在千赫兹量级,导致着火延迟时间极端。理论上说,这么高的工作频率将导致近似绝热压缩、点火和膨胀,没有火焰传播,热效率应该很高。但该系统也存在密封问题,活塞和气缸之间的质量损失降低了燃料利用率,引起膨胀冲程中活塞运动路径缩短,同时材料腐蚀液限制了该设备的寿命。 

  佐治亚理工学院提出了自由活塞/气缸直接发电系统,如图4所示。 

 

  4 自由活塞/气缸直接发电系统 

  该系统中,活塞是由燃烧后的高温、高压气体推动,活塞上固定了永磁体贴片,因此在运动过程中直接发电。该系统气缸体积13.4cm3,活塞冲程4.3cm,目前已经能产生12W的电能。密封和热损失是限制该系统提高效率的主要问题。 

  与此同时,密歇根大学提出了旋转摆动式发动机系统,如图5所示。 

 

  5 密歇根大学提出的旋转摆动式发动机 

  该系统采用Otto循环,通过摆臂的运动,带动感应电机发电,可以产生数十瓦的电能。与线性运动活塞发动机相比,旋转摆动式发动机简化了系统结构,减少了运动震动,但如何保证该系统中摆臂产生有效的力矩是保证高的热效率的关键。 

  国内清华大学也曾经从事过类似的微型摆动式发动机研究。目前,中国科学院和南京航空航天大学在973项目的资助下,正在从事三臂摆动式发动机的研制工作。图6为计算得到的两种摆动式微型发动机的输出功率和能量密度变化曲线。  

 

  6 两臂和三臂摆动式微型发动机的功率及能量密度比较  

  可以看出,当气缸大小相同时,三臂摆动式发动机的功率和能量密度都优于两臂摆动式发动机,而且当功率同为百瓦时,三臂摆动式发动机的能量密度几乎是两臂摆动式发动机的二倍,是目前最好的可充电锂离子电池能量密度(约0.2kWh/kg)的10倍到20倍。因此,我们认为这种三臂摆动式发动机方案显著优于现有的微型摆动式发动机。同时对于微型摆动式发动机,其摆臂运动频率为100赫兹左右,设计输出功率也较大。从目前结果分析看,与燃气轮机相比,其结构相对简单、加工难度降低,无需高速旋转,技术上更容易实现,是一种值得研究的新型微能源动力系统技术途径。  

  二、微型反应器系统 

  实现微型能源动力系统的另一种途径是微型反应器系统,利用热电、热光伏和压电效应,将燃烧产生的热转化为电能。该系统的优点是没有转动部件,不存在摩擦损失。该类系统对热管理要求高,利用催化或者回热循环等有效的热管理措施,使得燃烧在极小尺寸下能持续稳定进行,从而产生持续的电能供应。 

  南加州大学率先开展了蛋卷形燃烧器与热电材料相结合的微型发电系统,如图7所示。 

 

  7 美国南加州大学研制的回热循环燃烧器  

  (a) U型管中回热利用原理   (b) 二维蛋卷形燃烧器    (c) 大尺度蛋卷形燃烧器   (d) 介观尺度环形三维燃烧器 

  该系统中,为取得较高的热电效率,采用特殊的制造技术将大量的热电材料镶嵌在二维或三维燃烧器的分隔片中。尽管付出了极大的努力,但在如此复杂的系统中设法镶嵌热电片以取得较高的热电效率依然非常困难。此外,南加州大学还将二维蛋卷形燃烧器应用到燃用碳氢燃料、热自持的单室微型固体氧化物燃料电池中。 

  对于微型反应器而言,采用催化技术也是一种有效的途径。耶鲁大学采用电喷技术将液体碳氢燃料喷雾到介观尺度的催化燃烧器中,在提高燃烧效率的同时,尽可能提高热电效率。我国清华大学等单位也在从事基于催化燃烧技术的微型热电系统的研制工作。催化燃烧也用于微型推进器的研究中。 

  另一种实现电能输出的微型反应器系统是微型热光伏系统,如图8所示。 

 

  8 热光伏微型能源动力系统构成示意图 

  该系统主要由四部分构成:热源、辐射发射源(微型火焰管燃烧器)、滤镜和低谱带间隙光伏阵列。其原理是当辐射发射源加热到足够高的温度时,它会发射光子,当光子具有的能量比光伏电池能隙大时,它们之间发生碰撞,导致自由电子产生并产生电能输出。 

  国立新加坡大学采用直径3mm、长16mm的碳化硅燃烧器和砷化镓光伏电池在140.1W的化学能输入下产生了1.02W的电能输出,其效率约为0.73% 

  三、结语 

  微型能源动力系统由于尺寸的微型化,比表面积增大,热损失和熄火增强,运行要求高。装置微型化后,加工制造复杂、可用材料受限,同时,微型部件在加工时公差、配合更难保证,导致系统密封、装配困难。但鉴于微型能源动力系统在多领域、多方面所具有的重要应用前景,我国必须进一步加强微尺度理论和微型能源动力系统研究,推动微型能源动力系统的发展。 

 
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