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[科技专项] 微型能源动力系统--国家973计划课题

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panda888 发表于 2015-1-7 16:26 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 padamsli 于 2015-1-7 16:36 编辑

http://office.giec.ac.cn/973meps/

973计划“微型能源动力系统的科学问题”项目网站开通


工程热物理所微型燃气轮机研究取得进展
http://www.cas.cn/syky/201412/t20141229_4283397.shtml
  微型燃气轮机及其发电机组是指发电功率在几十到几百千瓦之间的动力装置,具有高转速、高效率、低NOX排放、结构紧凑、体积小、重量轻、燃料多元化等优点,广泛应用于分布式供能系统、装甲车辅助动力装置、航天飞机辅助电站以及车辆混合动力装置等领域。中国科学院工程热物理研究所分布式供能与可再生能源实验室依托其承担的院地合作、支撑计划等项目,开展了微型燃气轮机关键技术的研发,取得了一定的研究成果

 楼主| panda888 发表于 2015-1-7 16:28 | 显示全部楼层
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(上)
http://www.iet.cas.cn/hdzt/135zl/gj973jhkt/201412/t20141229_4282961.html

  自电池发明以来,电气设备的小型化和便携化发展迅速,从民用的手机、笔记本电脑,到军用的无人驾驶飞机和通讯器材,几乎所有的便携式电气设备都靠电池提供动力。电池虽然形式多样,使用简便,但由于蓄电量有限、能量密度低、体积大、单位体积重量大,必须经常更换或充电来维持电子设备工作,在能源供应的持久性和连续性方面受到一定限制。此外,从生产和回收的角度看,使用电池也是不经济的。据估算,制造一个电池所消耗的能量,要比电池本身所提供的能量大2000倍。如果再考虑到处理废旧电池所消耗的能量,那么使用电池的成本就更高了。为了解决这一难题,从上世纪九十年代起,世界各国的研究者提出了利用传统碳氢燃料的微型能源动力系统。典型碳氢燃料的能量密度可达50KJ/g,是目前最先进可充电电池的100倍左右,且此类系统燃料补充迅速,易于更换。

  近二十年来,基于使用传统碳氢燃料的微型能源动力系统的研究十分活跃,科研人员相继研究出了不同类型的微型能源动力系统,一类是微型热机系统,采用微型化的燃气轮机和内燃机产生能源、动力;另一类是微型反应器系统,利用热电和热光伏效应,将燃烧产生的热直接转化为电。

  一、微型热机系统

  对于微型热机来说,从循环方面考虑,不仅有Brayton循环,可供选择的还包括Rankine循环、Stirling循环和Otto循环等。

  Brayton循环的主要优点是结构简单(只有转子这一个运动部件),功率密度高(单位面积的质量流率高),可获得压缩空气用于冷却等。主要的不足是部件最小效率(一般是40~50%)必须满足循环能自维持,同时还要有净功输出。对于微型能源动力系统,这是一种多学科的综合性挑战,尤其对于微制造技术,非常重要。从这方面看,Brayton循环具有很大的吸引力。美国麻省理工学院于上世纪九十年代首次提出了采用传统碳氢燃料的微型燃气轮机系统。该微型燃气轮机系统采用Brayton循环,为使系统具有高的功率密度,要求燃烧室排气温度尽可能高(1400-1800K),且压比要大于2,最好能大于4。图1为氢燃料燃气轮机简单循环的热力计算结果,从图1可以看出,1mm2的吸入面积下,可以产生几十瓦的输出轴功。

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  图1 氢燃料燃气轮机简单循环性能图

  对燃气轮机这类旋转机械,其功率密度和转子应力与周向速度的平方成比例,因此高功率密度必然是大应力转子结构。周向速度如果为300-600m/s,对离心压气机,其压比要求达到2:1-5:1,这意味着转子的离心应力将具有几百MPa。如果转子直径只有几毫米,要求转速达到每分钟1-3百万转,这要求轴承摩擦低。同时高速旋转机械也要求精密制造,以保证间隙公差和动平衡要求。对毫米级大小的机械设备要有米级大小设备的精度,几何公差上要求具有微米量级。

  从上述热力学角度考虑,尺寸减小后循环并没有发生实质性改变,但从力学角度看,无论是结构力学、流体力学还是机电学,尺寸改变后将发生显著的变化,尺度减小后设备的性能将以特征尺度1000倍的因子减小。

  从结构力学看,材料性质与尺度相关,目前只有少数几种材料可以用于微加工技术中,如硅、碳化硅和砷化镓等,对于高速旋转机械更是如此,微尺度下,硅和碳化硅比常规经常使用的钢、钛基和镍基高温合金都要优越。硅和碳化硅在常规尺度的大型旋转机械中并不采用,因为其易脆而损坏,但在微尺度加工中则是理想材料。微加工中除考虑离心应力外,还要考虑热冲击,例如对于高温陶瓷能耐很高温,微尺度下离心应力也很高,但在热冲击下易脆,所以也不能用于微尺度加工。

  从流体力学看,尺度变化对其影响也很大,在小尺度下粘性力变得更重要。压比2-4意味着处于高超声速或高亚音速区,例如对于叶片弦长几毫米,在室温下工作的压气机其雷诺数是几万。而对于高温下工作的透平,其雷诺数只有几千。这与常规大型旋转机械中雷诺数范围为105-106相比是个很小值,粘性损失也相应增大。但在高速旋转机械中,粘性损失大约是总流体损失的三分之一,因此微型化后设备效率随尺寸减小的程度并不剧烈。粘性力的增大也意味着小的间歇和旋转轮盘上流体阻力相对增大了。对于流体通道大于1微米的情形,都可以作为连续流动考虑,此时努森(Knudsen)数可以不考虑。传热是微尺度设备中流体力学改变的另一个表现,如果流体的温度和速度相同,但粘性力增大了,传热系数也将增大。不仅传热增大,尺度变小后导热也增大,因此温度梯度将减小,这有助于减小热应力,但却给隔热带来了挑战。

  从制造方面看,目前的微加工技术采用了与生产大规模集成电路相似的技术,但其加工能力受到极大的限制,能加工的几何形状及其有限。主要的微加工工具是光刻定义的平面几何形状蚀刻法,这导致加工出来的形状主要是柱形或者层压。理论上三维形状可以由多个精确排列的二维层板构成,因此,一般由多层硅片或者碳化硅片组成,在真空下层压成型。因此对于复杂的旋转叶轮机械叶片加工带来了困难。图2为在硅片上采用深反应离子刻蚀法加工技术获得的向心透平,该透平转子直径4mm,在叶尖速度为500m/s下设计输出机械功60W,叶型高度为200微米,其中心的柱形结构为轴向气动轴承的推力衬垫。转子和静叶之间的间隙为15微米的气体轴承,要求能承载径向载荷。转子叶片尾缘为25微米厚,叶根有半径10微米的内圆角以减轻应力。图2中,叶型看起来像平面型,实际上从轮毂到叶尖是锥形的,锥度为30~50,具有正、负梯度。叶片高度为蚀刻率(大约每分钟3微米)。压气机叶片具有类似几何结构,叶高为400微米。

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  图2 转子直径为4mm的径向透平

  上述描述的是采用半导体加工技术(MEMS)制作微尺度动力系统的过程,当系统尺度增大到厘米量级,可采用其他的加工技术来制作微型动力系统,包括精密制造技术等。

  通过上述设计、加工等方面的考虑, Epstein等人于1996年完成了微型燃气轮机系统设计,如图3所示。

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  图3 MIT研制的微型燃气轮机

  该微型燃气轮机为单轴布局,采用离心压气机和向心透平,气动轴承支撑,压气机和透平采用空心轴连接;透平转子叶尖速度500m/s,绝热压比为4,带启动电机;采用氢燃料预混燃烧,设计了火焰稳定器,燃烧为贫燃,当量比为0.3-0.4,燃烧室出口温度1600K;透平采用碳化硅,设计中采用高的透平进口温度,在单位空气流量下获得最多的功;转子直径4mm,空气流量0.15g/s,转速2.4M rpm,输出功10~20W。整个发动机为8片晶片制作,并层压成型。

  此外,日本还研制了微型燃气轮机,如图4所示,其外形尺寸为直径10cm,长15cm。它由直径16mm的压气机、直径17.4mm的透平、环形燃烧室和永磁电机组成。压气机和透平由直径8mm的镍基高温合金作连接轴。转子重量约为37克,工作转速为360000rpm,透平进口温度为800-900℃。该微小型燃气轮机采用精密制造加工技术,其研制成功开辟了微小型热机在便携式设备中的应用之门。

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  图4 日本研制的微小尺度燃气轮机发动机
 楼主| panda888 发表于 2015-1-7 16:30 | 显示全部楼层
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)
http://www.iet.cas.cn/hdzt/135zl ... 141229_4282990.html

  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。


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  图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。


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  图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。


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  图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。


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  图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。


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  图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。  


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  图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。


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  图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。


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  图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。
StdNormDist 发表于 2015-1-7 22:29 | 显示全部楼层
padamsli 发表于 2015-1-7 16:28
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(上)
http://www.iet.cas.cn/hdzt/135zl/gj97 ...

例如对于叶片弦长几毫米,在室温下工作的压气机其雷诺数是几万。而对于高温下工作的透平,其雷诺数只有几千。这与常规大型旋转机械中雷诺数范围为105-106相比是个很小值
105、106应改成10[sup]5[/sup]、10[sup]6[/sup]
北极企鹅 发表于 2015-1-8 11:17 | 显示全部楼层
个人感觉 mems 燃料电池也是一个方向,不过高功率密度比不上前面说的
 楼主| panda888 发表于 2015-1-14 16:32 | 显示全部楼层
达宇厂已顺利完成2014年七院下达的年度专利任务指标,完成了《高速微型燃气轮机发电机安装结构》专利的申请。
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