1. 研究目标

本文提出并优化了一个基于微尺度燃烧器的热电发电机（MCP-TEG）。其目标是通过设计和优化系统，提升发电机的电力输出和整体效率。具体而言，论文探讨了如何利用微尺度燃烧器与热电模块（TEM）联合工作，实现高效的电力生成。

2. 系统设计与优化

2.1 微尺度燃烧器与热电模块集成设计

  • 系统结构：文章设计了一个集成的系统，包含了微尺度滞止点逆流燃烧器（SPRF）、内置热交换器（HEX）和热扩散器（热分布装置）。这一创新的设计目标是解决Bi2Te3基热电模块的低工作温度限制。
  • 热交换器：为了增加热量的回收效率，系统采用了带有多个蛇形通道的内置热交换器，这有助于提高热电模块的工作温度，从而提高发电效率。

2.2 优化设计要素

  • 燃烧器设计：优化了燃烧器的体积热负荷（72 MW/m³），使其能够提供足够的热量给热电模块。
  • 热扩散器厚度：系统通过调整热扩散器的厚度（6-12mm）来优化热端温度分布。更厚的热扩散器能够更均匀地分配热量，从而提升电力输出。
  • 输入功率和等效比：系统通过调整输入功率和燃烧的等效比（Φ），优化了热电模块的工作条件，得到了最佳的电力输出。

3. 实验方法与数据

3.1 实验设备

  • 燃料：采用甲烷、丙烷和异丁烷作为燃料进行实验。甲烷被认为是便于获取的燃料，丙烷和异丁烷则用于测试系统对不同燃料的适应性。
  • 测量设备：使用了包括质量流量控制器、温度传感器、气体分析仪等设备来监测系统的性能。实验过程中还使用了红外热像仪来测量热电模块的温度分布。

3.2 实验设置

  • 优化热扩散器厚度：实验中对不同厚度的热扩散器进行了测试，结果表明，当热扩散器厚度从6mm增加到12mm时，电力输出增加了接近50%（从20.3W增加到29.9W）。
  • 输入功率影响：实验中，输入功率从718W增加到957W时，最大电力输出分别为22.2W、25.8W和29.9W，同时整体效率维持在3%左右。输入功率的增加对电力输出有明显影响，但系统的整体效率保持稳定。
  • 等效比优化：通过调整燃料与空气的混合比（等效比Φ），研究表明，在Φ=0.9时，系统能够达到最高的电力输出（30.7W），且整体效率为3.21%。
  • 燃料适应性：在甲烷、丙烷和异丁烷三种燃料下，系统的最大电力输出分别为29.9W、31.1W和30.4W，其中丙烷表现出最佳的电力输出（31.1W）。丙烷的高电力输出与其较高的燃烧温度（1121K）和较低的废气温度（438K）相关。
  • 热交换器通道类型的影响：不同的热交换器（HEX）通道类型对系统性能有不同影响。CHH #4和CHH #6的表现相似，但CHH #5由于较大的压力损失和较低的燃烧效率表现不佳，因此不建议在未来的设计中使用。

3.3 能量流分析

  • 热收集效率：通过能量流分析，论文计算了各类热损失（如废气热损失、对流热损失、辐射热损失）对系统整体效率的影响。结果显示，热交换器的设计直接影响了热量回收效率，从而影响了热电发电机的电力输出。
  • 系统的热效率：实验数据显示，该系统的燃烧效率为96.9%，热收集效率为88.8%，最终的热电效率为3.21%。

4. 性能评估与指标

4.1 提出的新评估指标

  • EFS/efTE,max指标：论文提出了一种新的性能评估指标，即EFS（系统效能）与efTE,max（最大热电效率）之比。该指标用于评价不同热电发电机的综合性能，包括热电模块的效率、燃烧效率和热收集效率等。该指标帮助研究人员更全面地了解系统的潜力和不足。
  • 系统效能（EFS）：系统效能是通过综合考虑燃烧效率、热收集效率和热电模块的最大效率来定义的。研究表明，现有的Bi2Te3基热电模块系统效能为75.9%/4.23%，意味着该系统的设计已经达到较高的效率，但仍有改进空间。

4.2 未来的优化方向

  • 替代材料的使用：尽管Bi2Te3基热电模块在市场上广泛应用，但由于其相对较低的工作温度限制，未来的研究可以尝试使用其他热电材料（如Half-Heusler合金）来进一步提升热电效率。
  • 优化热交换器和热电模块配置：进一步优化热交换器的设计和热电模块的配置，有助于提高系统的整体效率和电力输出。

5. 结论

这项研究成功设计了一个基于微尺度燃烧器的热电发电机系统，并通过多次实验优化了系统性能。结果显示，优化后的系统在燃料转换效率、热收集效率以及热电效率方面都表现优异，最大电力输出达到了30.7W，整体效率为3.21%。该研究为便携式电源系统的应用提供了新的思路，尤其在高效能的热电发电领域具有广泛的应用前景