Modeling, simulation and optimization of micro-combustors for application in thermophotovoltaic cells

Abstract

Resumo: O desenvolvimento de dispositivos cada vez mais portáteis exige avanços tecnológicos na área de sistemas de energia a cada ano. Embora as baterias atuais de íon de lítio e níquel tenham quase atingido seu potencial químico, as que usam combustão de hidrocarbonetos têm disponível uma densidade de energia muito maior e ainda precisam de mais exploração. Um arranjo promissor é utilizar a combustão de metano para elevar a temperatura da parede do combustor para que ele possa emitir fótons de alta energia para uma célula fotovoltaica e gerar energia elétrica. Várias geometrias e configurações foram implementadas por diferentes autores, mas ainda é difícil aumentar a eficiência da conversão de energia, tanto de química para radiação quanto de radiação para elétrica. No que diz respeito à conversão química em radiação, o objetivo deste trabalho foi implementar a recirculação utilizando meios porosos para o combustor, com diferentes posições para a abertura entre as zonas de combustão e recirculação. Inicialmente, um caso base sem recirculação foi comparado com casos com recirculação livre e porosa nas velocidades de 0,4, 0,5 e 0,6 m / s. Na segunda parte, a posição da abertura foi variada em mais 3 combustores de recirculação livre. A última parte considera os melhores resultados nas seções anteriores para formar mais 2 casos a serem estudados. Os casos foram comparados pelos perfis de temperatura e temperatura média na parede superior e radial, perfis de contorno de velocidade transversal e de temperatura, perda de calor, queda de pressão e eficiência. Embora a recirculação geralmente aumente a temperatura média da parede superior em altas velocidades, a adição de meios porosos melhora a distribuição da temperatura e também a aumenta na maioria dos pontos a qualquer velocidade, utilizando a transferência de calor por condução. Alterando a posição da abertura entre as zonas, podemos manipular a significativa transferência de calor por advecção que ocorre nessa região e a advecção é especialmente importante em altas velocidades. A configuração ideal foi a que contava com uma abertura de 10-13 mm e meio poroso Copper Foam #1. Palavras-chave: micro combustor, recirculação em meio poroso, sistemas MTPV.

Abstract: The development of increasingly portable devices has been demanding technological advances in the area of energy systems every year. While current Li-ion and nickel-based batteries have almost reached their chemical potentials, combustion-based batteries using hydrocarbons have much higher energy density available and are still in need for further exploration. One promising arrangement is using the combustion of methane to elevate the temperature of the combustor's wall, so that it can emit high energy photons to a photovoltaic cell and generate electrical energy. Several geometries and configurations have been implemented by different authors, but is still difficult to increase energy conversion efficiency both from chemical to radiation and from radiation to electrical. Concerning chemical to radiation conversion, the focus of this work was to implement recirculation using porous media to the combustor, with different positions for the opening between the combustion and recirculation zones. Initially, a base case with no recirculation was compared to cases with free and porous recirculation at velocities of 0.4, 0.5 and 0.6 m/s. In the second part, the position of the opening was varied in 3 more free-recirculation combustors. The last part considers the best results in the previous sections to form 2 more cases to study. The cases were compared on their top wall and radial temperature profiles and average, transversal velocity and temperature contour profiles, heat loss, pressure drop and efficiency. While the recirculation was found to usually increase the average top wall temperature at high velocities, the addition of the porous media improves the distribution of the temperature and also increases it at most points at any velocity, by making use of the conductive heat transfer. By changing the position of the opening between zones, we can manipulate the significant advective heat transfer that occurs at that region and advection is especially important at high velocities. The optimal case had the opening at 10-13 mm and Copper Foam #1 porous media. Keywords: micro combustor, recirculation in porous media, MTPV systems.