氢/空气燃料微热光伏热电联产系统的电能与能效优化研究

本研究针对微型能源系统能量转换效率低的瓶颈问题，通过构建微热光伏-热电（MTPVT）集成系统，创新性地结合光伏效应与塞贝克效应，采用三维数值模拟方法优化了入口流速（vin）、当量比（Φ）和散热鳍片数（FN）等关键参数。研究发现当vin=10 m/s、Φ=1.1时系统能效达9.33%，为微型电子设备的高效供能提供了新思路。

　　

随着微型医疗工具、无人机等电子设备对高密度能源需求的激增，传统化学电池已难以满足要求。微热光伏（MTPV）系统虽能利用碳氢燃料燃烧释放能量，但其能量转换效率普遍低于10%，且存在燃烧不稳定、热量浪费严重等问题。特别是氢燃料微燃烧器排气温度超过1000K，大量余热未被有效利用。如何通过系统集成创新提升能量回收效率，成为微型能源领域亟待突破的科学难题。

针对这一挑战，国内研究人员在传统MTPV系统基础上，创新性地集成热电模块，构建了微热光伏-热电（MTPVT）混合系统。该系统通过同步利用光伏效应和塞贝克效应，将燃烧产生的辐射能与废热梯度同步转化为电能。研究采用COMSOL和ANSYS-FLUENT耦合仿真方法，建立三维数值模型分析系统性能。通过网格独立性验证（最大偏差6%）和实验数据对比，证实了模型的可靠性。

在关键参数优化方面，研究取得系列重要发现：入口流速（v_in）提升虽能增加功率输出（18 m/s时达14.44W），但会降低边际效益，10 m/s时系统能效峰值达9.33%；当量比（Φ）在1.1时功率输出最大，而Φ=0.8时能效更优；增加散热鳍片数（F_N）至20个可改善热电模块散热，但对功率提升作用有限（仅增加0.34W）。

热力学分析揭示了性能提升的内在机制：提高v_in使燃烧区温度分布更均匀（SDWT从268.3K增至349.4K），但会加剧能量耗散；Φ=1.1时火焰中心温度达2100K，OH自由基摩尔分数峰值表明燃烧最充分；鳍片增加虽降低P/N型腿温差（最高减少17K），但通过降低模块电阻提升了转换效率。

与传统MTPV系统对比显示，MTPVT系统在v_in>11 m/s时展现出显著优势：功率输出提高12.7%，这主要归功于热电模块对高温尾气的能量回收。研究创新性地提出"流速-当量比协同调控"策略，在Φ=0.95、v_in=10 m/s工况下，实现了能量回收效率与系统稳定性的最佳平衡。

该研究为微型能源系统设计提供了重要理论指导：通过多效应耦合与参数优化，MTPVT系统将能量效率提升近50%，功率密度提高至14.4W，解决了微型设备的高效供能难题。特别是提出的"高温辐射-中低温热电"分级能量回收模式，为发展下一代微型动力装置开辟了新途径。研究成果发表在《International Journal of Hydrogen Energy》，对推动氢能微型化应用具有重要工程价值。