利用溫差電技術(shù)設(shè)計(jì)手機(jī)體溫充電系統(tǒng)

1 引言

手機(jī)已成為人們生活中不可缺少的通信工具。目前手機(jī)都是由可充電的鋰離子電池供電，在野外或無(wú)市電的情況下，手機(jī)隨時(shí)可能沒(méi)電，這給使用者帶來(lái)許多不便。經(jīng)研究人體與環(huán)境之間總是存在溫差，利用溫差電技術(shù)可實(shí)現(xiàn)真正意義上的手機(jī)永不斷電。溫差電技術(shù)是綠色環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，是一種新的能源替換方式，可將低品位熱源的熱量有效地轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)減少能量消耗，緩解環(huán)境污染問(wèn)題。因此，微型溫差電器件將有美好的應(yīng)用前景，手機(jī)體溫充電系統(tǒng)對(duì)于新能源開(kāi)發(fā)必定具有重要的實(shí)際意義。

2 手機(jī)體溫充電的原理

2．1 人體的能量

正常情況下，人體發(fā)出的紅外波長(zhǎng)為8～12μm，人體基礎(chǔ)代謝24 h內(nèi)所產(chǎn)生的熱能為8 059．8 kJ，一個(gè)成年人的皮膚展開(kāi)后其表面積約為2 m2，以每平方米體表面積為衡量標(biāo)準(zhǔn)，能量代謝在1 h內(nèi)產(chǎn)生的平均熱量約167．9 kJ／(m2·h)。人體的主要散熱部位是皮膚，當(dāng)環(huán)境溫度低于體溫時(shí)，大約70％的體熱通過(guò)皮膚的輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流散熱消耗掉。四肢末稍皮膚溫度最低，越接近軀干、頭部，皮膚溫度越高。在寒冷環(huán)境中，隨著氣溫下降，手、足的皮膚溫降低最顯著，但頭部皮膚溫度變動(dòng)相對(duì)較小。可以看出，頭部皮膚溫度最高，且隨環(huán)境溫度變動(dòng)相對(duì)較小。因此手機(jī)體溫充電系統(tǒng)適合安裝在帽子內(nèi)部，可提高充電效率。

手機(jī)的鋰離子電池可通過(guò)充電或添加能量物質(zhì)重復(fù)使用，其額定電壓容量一般為3．6 V(也有的為3．7 V)。如AA800 mAh的鋰離子電池平均工作電壓為3．6 V，則其能量為2．88 Wh，而人體皮膚單位面積單位時(shí)間輻射的熱量約為32．65 W／m2，由能量轉(zhuǎn)換可知，面積為1 m2的人體皮膚輻射1 h的能量約為32．65 Wh，如果以0．2 C(160 mA)的充電率給鋰離子電池充電，則需要5 h可充滿能量為2．88 Wh的鋰離子電池，其能量轉(zhuǎn)化效率的理論值約為1．76％，泰柯斯(Telkes)在1947年研制出一臺(tái)溫差發(fā)電器，其發(fā)電效率為5％。因此，該轉(zhuǎn)化效率在很久以前就可滿足要求，人體的體溫為手機(jī)充電在能量轉(zhuǎn)換方面是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

2．2 塞貝克效應(yīng)

溫差發(fā)電可直接將熱能轉(zhuǎn)換成電能，只要存在溫差，溫差發(fā)電模塊就能產(chǎn)生電壓。人體與環(huán)境溫度常存在溫差，利用溫差電技術(shù)可轉(zhuǎn)化為電能為手機(jī)充電。研究發(fā)現(xiàn)將兩種半導(dǎo)體結(jié)合，并使其一端處于高溫狀態(tài)(熱源)，而另一端開(kāi)路并且處于低溫狀態(tài)(冷源)，則在冷源端會(huì)產(chǎn)生開(kāi)路電壓△U，稱為溫差電動(dòng)勢(shì)，也稱為賽貝克電動(dòng)勢(shì)，賽貝克電壓△U與熱冷兩端溫度差△T成正比：

△U=s△T=s(tH-tL) (1)

式中，s稱為塞貝克系數(shù)，其單位是V／K或μV／K。塞貝克系數(shù)由材料本身的電子能帶結(jié)構(gòu)決定。

3 手機(jī)體溫充電系統(tǒng)

如圖1所示，手機(jī)體溫充電系統(tǒng)主要包括3部分：直流電產(chǎn)生模塊、升壓穩(wěn)壓電路模塊和手機(jī)充電接口。直流電產(chǎn)生模塊主要利用半導(dǎo)體溫差電池組產(chǎn)生直流電能，只要環(huán)境與人體皮膚之間存在溫差，溫差電池組兩端便產(chǎn)生電壓。半導(dǎo)體溫差電池組產(chǎn)生的電壓較小，為了減少溫差電池的數(shù)量，擬采用升壓電路實(shí)現(xiàn)升壓，滿足手機(jī)充電要求。由于環(huán)境溫度不穩(wěn)定，則兩者之間的溫差很難穩(wěn)定，則半導(dǎo)體溫差電池組產(chǎn)生的電壓就很難穩(wěn)定，不滿足鋰離子電池充電電路的要求，為此必須對(duì)電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理后才可給鋰離子電池充電電路提供電能。

3．1 直流電產(chǎn)生模塊

根據(jù)塞貝克效應(yīng)，利用半導(dǎo)溫差電池組將熱能轉(zhuǎn)換成電能，產(chǎn)生直流電。熱電材料是一種能夠?qū)崮芎碗娔芟嗷マD(zhuǎn)換的功能材料，其參數(shù)如表1所示，選擇多晶硅材料制作熱電偶，其相對(duì)于10μm波長(zhǎng)的光源可顯示出90％以上的高吸收率。考慮到材料優(yōu)值系數(shù)對(duì)發(fā)電效率的影響至關(guān)重要，而半導(dǎo)體材料的溫差電優(yōu)值系數(shù)最高。所以它是制造溫差電池的首選材料。最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體溫差發(fā)電單元(圖2)由N型和P型半導(dǎo)體電偶臂以及負(fù)載電阻RL構(gòu)成，通過(guò)金屬材料(通常是銅)相連接，工作在高溫?zé)嵩春偷蜏乩湓粗g，形成回路后就有電流流過(guò)負(fù)載電阻。

從制造的難易程度和成本等方面考慮，半導(dǎo)體溫差電池組由單個(gè)發(fā)電單元構(gòu)成是不合理的，這樣其輸出功率很低。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在相同的半導(dǎo)體用料情況下，用串聯(lián)方式將若干較小的N-P電偶相連接，形成如圖3所示的半導(dǎo)體溫差電池(熱電堆)。在溫差電池中，每個(gè)電偶對(duì)都工作在相同的溫差下，他們的作用也相同，因此整個(gè)溫差電池的輸出功率就是單個(gè)N-P電偶輸出功率乘以總的對(duì)數(shù)，一個(gè)擁有N對(duì)熱電偶的半導(dǎo)體溫差電池(熱電堆)的熱電電壓U為

U=Ns(tH-tL) (2)

從結(jié)構(gòu)可看出，半導(dǎo)體熱電偶對(duì)在電路上是串聯(lián)的，但在傳熱上是并聯(lián)的。溫差電池的兩端維持在環(huán)境與人體之間的溫差下，電流就會(huì)在回路中連續(xù)流動(dòng)。

描述半導(dǎo)體溫差電池?zé)犭娹D(zhuǎn)換性能的主要參數(shù)有發(fā)電效率和輸出功率。當(dāng)負(fù)載電阻RL和溫差電池本身的電阻R相匹配時(shí)，負(fù)載能夠從半導(dǎo)體溫差電池中獲得最大的輸出功率，材料的優(yōu)值系數(shù)Z對(duì)于半導(dǎo)體溫差電池的發(fā)電效率和輸出功率都很重要，而Z主要與半導(dǎo)體電偶臂的性質(zhì)有關(guān)，對(duì)于材料溫差電特性一定的溫差電偶，優(yōu)值并不是一個(gè)常數(shù)，而是與溫差電偶的幾何尺寸有關(guān)。電偶臂的長(zhǎng)度小于1 mm時(shí)，輸出功率和發(fā)電效率均隨電偶臂長(zhǎng)度的增加而提高；而當(dāng)其長(zhǎng)度超過(guò)5 mm后，輸出功率和發(fā)電效率均趨于定值。用多晶硅形成熱電偶，串聯(lián)組成熱電堆，采用0．8 V低啟動(dòng)電壓的升壓器件，可計(jì)算出人體體溫經(jīng)該升壓器件給手機(jī)充電需要約809個(gè)熱電偶，將這些熱電偶陣列串聯(lián)組成熱電堆。假設(shè)環(huán)境與人體的溫差為9℃，轉(zhuǎn)化效率為15％，只需要面積約為0．012 721 m2的人體皮膚，即只用到人體皮膚總面積的1／158。為了滿足手機(jī)鋰離子電池的充電要求，還需進(jìn)一步提高溫差產(chǎn)生的電壓和電流，可將半導(dǎo)體溫差電池進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)形成溫差電池組，將半導(dǎo)體溫差電池作為電源，其串并聯(lián)的情況與其他電源的串并聯(lián)并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。