微动力机电系统的发展动态与展望.pdf

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1、第27卷 第6期2006年11月江 苏 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of Jiangsu University(Natural Science Edition)Vol.27No.6Nov.2006微动力机电系统的发展动态与展望李德桃1,潘剑锋1,薛 宏2,杨文明3(1.江苏大学 能源与动力工程学院,江苏 镇江212013;2.美国加州州立工业大学,加州 洛杉矶CA91768;3.新加坡国立大学,新加坡119260)摘要:在阐述微动力机电系统研究意义的基础上,对其在国内外的发展动态及趋势进行了回顾,重点介绍了双区燃烧微涡轮机、微型往复式电力发生器、微转子发动机以及作者研究

2、的微热光电动力系统.这种新型的微热光电系统具有无运动部件、热量利用效率高、制造成本低等优点.最后论述了微机电动力系统研究中面临的主要挑战,并重点总结了需要解决的一些基础问题.关键词:微动力系统;微热光电系统;微燃烧;微尺度传热;微流动中图分类号:TK50 文献标识码:A 文章编号:1671-7775(2006)06-0489-04Development and prospect on m icro2power systemsL I De2tao1,PAN Jian2feng1,XUE Hong2,YANG W en2m ing3(1.School of Energy and Power Eng

3、ineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang,Jiangsu 212013,China;2.California State PolytechnicUni2versity,LosAngeles,California CA91768,USA;3.NationalUniversity of Singapore,Singapore 119260,Singapore)Abstract:The status and trend ofmicro2power generators developed in the world are reviewed.The em2phasis

4、is on the dual2zone combustormicro gas turbine engines,the resonant micro reciprocating enginefor power generation,the micro rotary engine,aswell as the micro thermophotovoltaic systems developedby our research team.The latter system has high efficiency burner,no moving parts and low cost of fabri2c

5、ation.Finally,the major challenges faced by micro power generators are introduced,and some funda2mental problems need to be resolved are also summarized.Key words:micro power systems;micro ther mophotovoltaic systems;micro combustion;micro heattransfer;micro flow 近年来,国内外相继开展了微动力机电系统(PowerMEMS)的研究工作1

6、.微动力机电系统包括微发动机,如微涡轮机2,3,微转子发动机4,微火箭发动机5 等,以及近年来倍受注目的微燃料电池6(micro2fuel cell)和微热光电能源系统(micro2thermophotovoltaic system),这些是微动力机电系统的核心装置.从动力机械发展的历史进程看,每当能源装置的能量密度产生一个飞跃,都会给社会和经济带来深远的影响.18世纪的蒸汽发动机,以0.005 W/g的能量密度为标志,引发了当时的工业革命.从19世纪到现在,内燃机的发展使能量密度达到了0.051.0 W/g,从而使整个交通运输发生了巨变.20世纪研发的航空航天发动机使能量密度进一步上升到10

7、 W/g.喷气式飞机大大缩短了整个世界的距离.微动力装置的能量密度将冲破100 W/g的大关.可以说,它是动力机械发展的第四个里程碑.不难想像,它给现代社会带来的影响将是重大而深远的.收稿日期:2006-06-21基金项目:国家自然科学基金资助项目(50376020);江苏大学高级人才科研启动基金资助项目(05JDG021)作者简介:李德桃(1934-),男,湖南株洲人,教授,博士生导师(),主要从事动力机械的燃烧系统和燃烧过程的研究.潘剑锋(1978-),男,江苏常州人,讲师,博士(),主要从事动力机械的燃烧过程和微动力系统的研究.1994-2008 China Academic Journ

8、al Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/1 微型发动机发展概况1.1 双区燃烧微涡轮机Spadaccini等人在原有微涡轮机1 的基础上进行改进,设计出双区燃烧微涡轮机2,其燃烧室示意图见图1.图1 双区燃烧微涡轮机燃烧室示意图Fig.1Schematic of dual2zone combustor 该微型发动机也是由6个硅基薄片逐层叠加熔合粘接而成,并根据发动机的整体结构来分别设计每个薄片的具体外形和加工尺寸.微燃烧室处于第四层中.在第三层中,设计了一系列的小孔通过连接燃烧室和冷却夹层,这些孔使入口空气进入燃烧室,达

9、到了两个目的:一是它能分裂燃烧室成两个区域;二是它能把进入涡轮入口的燃气温度降低到1 600K,这恰是微涡轮机工作的理想温度.氢-空气或者碳氢化合物-空气的混合物能在其微燃烧室的两个区域内稳定燃烧,每个燃烧区域容积为191 mm3.在高达1 800 K的排气温度下,能达到超出1 100MW/m3的功率密度.1.2 微型往复式电力发生器图2为微型往复式电力发生器的示意图.图2 微型往复式电力发生器的示意图Fig.2Structural concept of reciprocatingmicro enginefor power generation发动机部分的主要材料为硅.发动机部分由往复式活塞、

10、弹簧、圆柱容腔和顶部玻璃体组成.其原型采取的压缩比为5,以氢气作为燃料7.其基本工作原理基于奥托循环,往复式活塞由于接受到燃烧产生的冲击力而运动,该运动引起永磁体内部磁通量的变化而产生电能.1.3 微转子发动机加州大学伯克利分校Fernandez2pallo等开发了一台微转子发动机8.该发动机采用一个三角形的转子在一个长圆形的燃烧室中转动,压缩混合气燃烧做功.初步设计的微转子发动机的扫气容积为77.5 mm3,微型燃烧室的特征长度为0.45 mm.图3 微型转子发动机燃烧室示意图Fig.3Schematic ofMEMS rotary engines combustor图3为微型三角转子发动机

11、燃烧器的示意图.该微型发动机采用一个三角转子在外旋轮形燃烧器中转动并压缩混合气燃烧做功.转子的中心与燃烧器的中心有一定的偏心距.在转子旋转的过程中,当转子上的三个顶点同时与燃烧器壁接触时,分别形成三个封闭的、独立的空间.每一空间都依次经历吸气、压缩、点火做功以及排气等四个过程,从而完成一个工作循环,即转子每转一圈在外旋轮形燃烧器中进行三个这样的工作循环.1.4 微热光电动力系统本课题组从2002年开始在国家自然科学基金的支持下,在国内率先进入这一高科技领域.通过国际国内合作,首次提出了利用热光电(Thermophoto2voltaics2TPV)原理开发TPV微动力系统的设想9094 江 苏

12、大 学 学 报(自 然 科 学 版)第27卷 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/(图4),随后,对微火焰管内燃烧作了进一步的模拟计算和试验10,并初步探讨了微热光电系统(microthermophotovoltaic system,MTPV)原理性样机的设计11.该系统由三个主要部分组成:微混合器,微火焰管燃烧室,光电池.燃料(氢气或烃类)和氧化剂(氧气或空气)在微混合器内混合后,进入微火焰管燃烧.燃烧释放出来的热量会使火焰管的温度升高,从而辐射出大量光子

13、,当这些光子碰到光电池时,就激发出自由电子而输出电能.因此,微燃烧器的大面积-容积比对MTPV动力系统的输出能源密度是非常有利的.图4微热光电系统示意图Fig.4Schematic ofmicro thermophotovoltaic system2 存在问题及展望微动力系统和微发动机的研究和开发尚处于起步阶段,许多工程热物理问题尚待深入探讨.2.1 微尺度燃烧的机理及稳定性研究目前,对微尺度燃烧的机理和燃烧稳定性问题,研究者的认识还相当不足.与传统发动机燃烧过程相比,微尺度燃烧至少面临着以下三个方面的挑战:(1)由于空间尺寸的急剧缩小,使得燃气与空气的混合时间相对于燃烧化学反应时间过于短暂.

14、(2)由于单位体积的传热面积增大,使传热损失相对增加.(3)点火和燃烧的熄火特征尺寸已经接近于燃烧器的尺寸,使燃烧不稳定因素增加.针对上述挑战,需要在几个方向优先开展研究:微型燃烧器点火和燃烧机理,包括加速混合,稀薄燃烧,催化燃烧的作用和极限等方面的研究;燃烧器传热过程和燃烧器材料,包括微小空间的流动和传热过程,高分子陶瓷材料以及高性能复合材料在微型燃烧器中的应用.2.2 热力学设计热力学设计是实现改善PowerMEMS系统性能的重要理论基础之一.但随着装置的微型化,对零件设计的热物理因素的影响将发生很大变化,具体到零件优化设计与传统零件设计存在很大差异.因此,要深入研究实现PowerMEMS

15、系统的热力学条件;揭示该系统的热力学规律;分析多种热力学循环的性能特点;探讨适合于该系统的循环结构和改善系统性能的途径.2.3 微/纳米尺度流动和传热特性的研究由于微机电系统的迅速发展,微/纳米尺度反应流(Reactive Flows)的研究也逐渐受到了人们的注目.微/纳米尺度反应流除了需要了解微/纳米尺度气体流动和传热的规律,更需要掌握化学成分的传递过程,以及气体和表面的化学反应动力学在微/纳米尺度下的机理.开展微/纳米尺度反应流的研究将能够使微/纳米机电系统的研究拓展到微/纳米尺度发动机,氢气生成,燃料电池等动力能源系统,以及催化化学,化学/生物传感器等信息和生物医学系统中,具有更广泛的应

16、用前景.微/纳米尺度气体流动和传热的特征是Knud2sen数大而雷诺数及马赫数小.更重要的是微/纳米机电系统所涉及的特征尺寸往往跨越不同的流动区域,如何开发出适合多尺度微/纳米动力系统的动量和能量输运过程,以及非均匀化学反应的数学模型,是当前亟待解决的重要问题之一.鉴于微/纳米机电系统的研究和开发已经在国内外展开,积极地掌握微机电系统工作过程中的流动和传热特性,将有利于形成我国自主知识产权的高技术研究领域.富有挑战性工作的几个方面是:(1)以分子动力学为基础,精确地分析和评估过渡区域中由于稀薄性和压缩性而使动粘度和热传导系数产生的变化,以及这些变化对于过渡区域中Knudsen层内动量、能量传递

17、以及化学反应的影响.(2)从统计力学的角度,寻找连续介质力学与分子动力学之间的连接点,使在连续和滑移区域中以连续介质力学为基础的微/纳米尺度气体流动,传热、传质的模型和在过渡区域中以分子动力学为基础的微/纳米尺度气体输运模型相耦合.(3)按照化学反应动力学的理论,在非均匀(heterogeneous)的条件下,建立气体组分和化学表面的反应动力方程.将气相和表面的反应动力关系式和由于稀薄效应所产生的化学组分分布相耦合.从而,精确地评估在微/纳米尺度下,化学反应和燃194第6期 李德桃等:微动力机电系统的发展动态与展望 1994-2008 China Academic Journal Electr

18、onic Publishing House.All rights reserved.http:/烧的特殊性.这将是解决微/纳米能源转换系统非连续、非平衡的动量和能量输运过程,以及非均匀的化学反应如燃烧催化和燃料电池中的催化反应的重要因素.参考文献(References)1 李德桃.热科学领域的高新技术及其产业化前景J.江苏大学学报:自然科学版,2002,23(1):14-16.L IDe2tao.The developments and applications of hightechniques in the field of thermal scienceJ.Journalof Jiang

19、su University:Natural Science Edition,2002,23(1):14-16.(in Chinese)2 Spadaccini C M,Mehra A,Lee J,et al.High powerdensity silicon combustion systems formicro gas turbineengines J.Journal of Engineering for Gas Turbinesand Power,2003,125(3):709-719.3 Matsunuma T,Yoshida H,IkiN,et al.Micro gas tur2bin

20、e with ceramic nozzle and rotorC Proceedings ofthe ASM E Turbo Expo2005,2005:973-979.4 Cauley III,Thomas H,Rosario R,et al.Feasibilitystudy of a ME MS viscous rotary engine power system(VREPS)CProceedings of the ASM E Fluids Engi2neering D ivision2004,2004:301-308.5 Yetter R A,YangV,MiliusD L,et al.

21、Developmentofa liquid propellant micro thruster for s mall spacecraftCChem ical and Physical Processes in CombustionFall Technical M eeting,the Eastern States Section,2001:377.6 PattekarA V,Kothare M V.A microreactor for hydro2gen production in micro fuel cell applicationsJ.Jour2nal of M icroelectro

22、m echanical System s,2004,13(1):7-18.7 Toriyama T,Sugiyama S,Hashimoto K.Design of aresonantmicro reciprocating engine for power generationCTRANSDUCERS03.12th International Confe2rence on Solid2State Sensors,Actuators and M icrosys2tem s.D igest of Technical Papers,2003:1303-1306.8 Fu K,Knobloch A J

23、,CooleyB,et al.Microscale com2bustion research for applications to MEMS rotary I C en2gine C Proceedings of NHTC,2001National HeatTransfer Conference,2001:613-618.9 Yang Wenmin,Li Detao,Pan jianfeng,et al.Mi2croscale combustion research for application to microthermophotovoltaic systems J.Energy Con

24、version andM anagement,2003,44(16):2625-2634.10 潘剑锋,杨文明,李德桃,等.微热光电系统原型的设计制造和测试 J.工程热物理学报,2005,26(5):887-890.PAN Jian2feng,YANG Wen2ming,L I De2tao,et al.Design,fabrication and testing of a prototype microther2mophotovoltaic systemJ.Journal of Engineering Ther2m ophysics,2005,26(5):887-890.(in Chines

25、e)11Pan Jianfeng,Li Detao,YangWenming,et al.Micro2scale combustion research for application to micro ther2mophotovoltaic systems J.Heat Transfer Asian Re2search,2005,34(6):369-379.(责任编辑 祝贞学)294 江 苏 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第27卷 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/