《International Journal of Hydrogen Energy》：Numerical investigation of electrical power and energy efficiency in a hydrogen/air-fueled micro-thermophotovoltaic system with a novel porous-plate micro-combustor
赵赫|杨书晨|刘冰霞|王润志|张进
江苏宿迁市宿迁大学机械与电气工程学院，223800，中国
摘要
本研究通过三维仿真对一种新型多孔板微燃烧器集成氢燃料微热光伏（MTPV）系统进行了数值分析，旨在提高整体能源效率和电力输出。研究考察了四个关键设计参数：（1）进气速度，（2）多孔板长度，（3）多孔板位置，以及（4）燃烧器材料选择。结果表明，增加进气速度可以提高壁温和功率输出，在12 m/s时达到9.37 W，尽管压力降会增大。将多孔板长度从1 mm延长到5 mm，功率从9.37 W增加到10.35 W，效率从8.47%提高到9.35%。适当放置多孔板可以显著改善温度均匀性和转换效率，最佳性能出现在中间位置。材料选择也起着关键作用，碳化硅（SiC）和钢的性能优于石英，转换效率可达8.47%。总体而言，与传统配置相比，所提出的设计表现出显著的性能提升，为高效微尺度发电提供了有前景的途径。
引言
微工程设备的快速发展，如微传感器、微型飞行器和医疗仪器，加剧了对紧凑型、高能量密度电源的需求[[1], [2], [3]]。与传统电化学储能相比，微热光伏（MTPV）系统具有更高的质量和体积能量密度以及更好的可靠性，正成为一种关键的解决方案[[4], [5], [6]]。凭借微型结构、高能量密度以及没有大型运动部件的特点，MTPV标志着微电源领域的重大突破[[7], [8], [9]]。其工作原理涉及多个物理过程：燃料（例如H2、CH4）在微燃烧器中通过放热反应释放化学能，产生的高温辐射经过光谱过滤后，由半导体热光伏电池转换为直流电[[10], [11], [12]]。几十年来，化石燃料燃烧一直是温室气体排放的主要来源。为了实现碳中和，氢作为一种清洁能源载体受到了广泛关注，因为它燃烧过程中不产生碳排放，并且可以替代传统碳氢化合物，无论是在固定式还是移动式系统中[[13], [14], [15]]。氢的高比能量（142 MJ/kg）和在常温条件下的快速层流火焰速度（>180 cm/s）显著提高了微尺度下的燃烧稳定性和效率[[16], [17], [18]]。这些特性使氢成为推动高效环保能源转换的优秀候选者。因此，本研究利用氢燃烧的优势，探索其在可持续微电源应用中的潜力。
微热光伏（MTPV）系统由三个关键组件组成：微燃烧器、光谱滤波器和光伏（PV）电池[[19], [20], [21]]。微燃烧器作为主要热源，燃料燃烧产生高温热能。光谱滤波器选择性地传输最佳辐射波长，从而提高转换效率。随后，PV电池将过滤后的辐射转换为电能，实现紧凑且可持续的能源生成[22,23]。由于微燃烧器的尺寸较小，导致高表面积与体积比，微燃烧过程容易不稳定。这种几何结构显著增加了壁面热损失，而缩短的反应时间常常导致火焰熄灭和燃烧不稳定[22,24]。微燃烧器内的气体停留时间有限，进一步加剧了这些挑战。为了解决这些问题并提高可燃性和功率输出，人们探索了多种创新策略。赵等人[[25], [26], [27]]设计了带有内部直肋或螺旋肋的微燃烧器以改善温度分布。黄等人[28]研究了集成多孔介质的回收型平面燃烧器，并证明调整多孔结构和流速可以增强反应强度并优化壁温分布。严等人[29]提出了带狭缝的钝体燃烧器，发现更宽的狭缝显著提高了燃烧效率。同样，张等人[30]将带狭缝的钝体与前挡板结合使用，增强了燃烧稳定性。蔡等人[31]引入了预热通道以延长燃料停留时间并强化化学反应，进一步研究了雷诺数对火焰熄灭的影响。其他研究者还提出了其他方法，包括内壁修改[[32], [33], [34]]、穿孔板[[35], [36], [37]]以及多孔介质[[38], [39], [40]]。此外，傅等人[4]和黄等人[7]研究了钝体与多孔介质的协同集成，而吕等人[41]引入了预热通道和阶梯结构，展示了改善微燃烧器热传递和稳定燃烧的替代途径。
先前的研究[21]表明，提高微燃烧器的平均壁温并减少其标准偏差可以显著提升微热光伏（MTPV）系统的效率。因此，优化壁温分布已成为评估微燃烧器热性能的关键标准。例如，蔡等人[1]在分析中同时考虑了壁温分布和排放物，从而更全面地评估了辐射能量和整体效率。鉴于微燃烧系统的独特特性，一些研究者引入了燃烧程度作为热性能评估的关键参数。赵等人[25]提出使用排气中未燃烧燃料的浓度作为评估微燃烧效率的指标，为提高燃烧稳定性提供了见解。尽管第一定律效率在能量传递评估中广泛应用，但它忽略了未利用的能量，因此常常高估了实际效率。热力学第二定律提供了一个更准确的框架，因为它考虑了热传递中的不可逆性，并捕捉了热能与功之间的转换。例如，E等人通过考虑排气热损失和熵产生，确定了质量扩散、热传导和化学反应作为熵产生的主要来源，计算了有效能和效率。同样，倪等人[42]利用熵分析量化了微燃烧器中的有效能、效率及相关不可逆性。还应注意的是，微燃烧器只是MTPV系统的一部分。一些研究通过假设燃烧辐射到光伏电能的转换率为恒定的15.4%来简化效率估算。相比之下，杨等人[20]采用了更综合的方法来预测功率输出，尽管他们的模型忽略了光谱滤波器的作用。最近，赵等人[43]提出了一种结合辐射能量和PV电池温度依赖性转换效率的方法，从而更准确地预测了功率输出和整体效率。微热光伏和热电发电机系统在微电源设备领域越来越受到关注。它们的吸引力在于低噪声运行、无运动部件或磨损，这些特点共同提高了它们的可靠性[44]。热光伏系统的理论转换效率可以直接将光子从辐射能转换为电能，效率可超过30%[45]。相比之下，现有的热电系统受限于商用材料，转换效率通常低于10%[46]。因此，基于上述比较，本研究选择了热光伏系统。
基于广泛的文献综述，以往关于MTPV系统的研究主要集中在从微燃烧器行为的角度分析热特性。相比之下，本研究提出了一种新型微燃烧器设计，旨在提高MTPV系统的电输出和整体能源效率。此外，本研究还评估了将常规燃烧器集成到MTPV系统中所带来的功率输出提升，重点量化了燃烧器设计带来的性能增益。第2节介绍了本研究中采用的系统配置。第3节探讨了几个关键参数——即进气速度、当量比和燃烧通道几何形状——对系统性能的影响。第4节评估了系统的声学行为，第5节对获得的结果进行了全面分析。
章节摘录
几何模型
本研究探讨了一种采用预混氢/空气混合物作为燃料的微热光伏（MTPV）系统的电能生成、能量转换效率和热特性。如图1所示，示意图展示了MTPV系统的整体配置和新开发的微燃烧器（标记为MA）的设计。系统的主运行和几何参数总结在表1中。
网格独立性研究和验证
为了验证仿真方法，其结果与参考文献[54]中的实验数据进行了比较，如图2(a)所示。在氢流量为600 ml/min和900 ml/min、当量比为1的情况下，实验结果的最大偏差分别为约6%和5.5%，显示出良好的一致性。观察到的差异可能部分源于实验中的入口边界条件和传感器精度。图2(b)显示了中心线的网格敏感性分析。
进一步研究多孔板的孔隙率（ε）
本节研究了多孔板孔隙率对多孔板热性能和微燃烧器功率输出的影响，进气速度为12 m/s。孔隙率（ε）分别在0.2、0.25、0.3、0.35、0.4和0.45之间变化，而多孔板的中心位置（L2）固定为9 mm。
为了研究多孔板孔隙率对微燃烧器性能的影响，分析了图(a)-(c)。如图(a)所示，所有
讨论与结论
本研究采用三维数值仿真来评估一种集成预混氢/空气燃料的新型多孔板微燃烧器的微热光伏（MTPV）系统。研究重点关注热性能、电能生成和能量效率，考虑了四个关键因素的影响：进气速度、多孔板位置、多孔板长度和壁材料选择。主要发现总结如下：
CRediT作者贡献声明
赵赫：撰写——初稿、验证、软件、方法论、研究。杨书晨：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、研究。刘冰霞：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿。王润志：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿。张进：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿。
利益冲突声明
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致谢
本工作得到了宿迁科技引导项目（K202548）和宿迁智能制造重点实验室以及江苏省智能制造装备关键技术工程研究中心的财政支持。赵赫、王润志和张进感谢宿迁大学的资助，资助编号分别为：2025XRC009、宿迁科技引导项目（K202352）和宿迁精英人才青年计划（2023）QNXM-0027。
