手機可以利用體溫來充電
手機已成為人們生活中不可缺少的通信工具。目前手機都是由可充電的鋰離子電池供電,在野外或無市電的情況下,手機隨時可能沒電,這給使用者帶來許多不便。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/180707.htm經(jīng)研究人體與環(huán)境之間總是存在溫差,利用溫差電技術可實現(xiàn)真正意義上的手機永不斷電。溫差電技術是綠色環(huán)保的發(fā)電技術,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化為電能,同時減少能量消耗,緩解環(huán)境污染問題。
2.1 人體的能量
正常情況下,人體發(fā)出的紅外波長為8~12μm,人體基礎代謝24 h內所產(chǎn)生的熱能為8 059.8 kJ,一個成年人的皮膚展開后其表面積約為2 m2,以每平方米體表面積為衡量標準,能量代謝在1 h內產(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,當環(huán)境溫度低于體溫時,大約70%的體熱通過皮膚的輻射、傳導和對流散熱消耗掉。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相對較小。可以看出,頭部皮膚溫度最高,且隨環(huán)境溫度變動相對較小。因此手機體溫充電系統(tǒng)適合安裝在帽子內部,可提高充電效率。
手機的鋰離子電池可通過充電或添加能量物質重復使用,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間輻射的熱量約為32.65 W/m2,由能量轉換可知,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,其能量轉化效率的理論值約為1.76%,泰柯斯(Telkes)在1947年研制出一臺溫差發(fā)電器,其發(fā)電效率為5%。因此,該轉化效率在很久以前就可滿足要求,人體的體溫為手機充電在能量轉換方面是完全可以實現(xiàn)的。
2.2 塞貝克效應
溫差發(fā)電可直接將熱能轉換成電能,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,利用溫差電技術可轉化為電能為手機充電。研究發(fā)現(xiàn)將兩種半導體結合,并使其一端處于高溫狀態(tài)(熱源),而另一端開路并且處于低溫狀態(tài)(冷源),則在冷源端會產(chǎn)生開路電壓△U,稱為溫差電動勢,也稱為賽貝克電動勢,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構決定。
3 手機體溫充電系統(tǒng)
如圖1所示,手機體溫充電系統(tǒng)主要包括3部分:直流電產(chǎn)生模塊、升壓穩(wěn)壓電路模塊和手機充電接口。直流電產(chǎn)生模塊主要利用半導體溫差電池組產(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,擬采用升壓電路實現(xiàn)升壓,滿足手機充電要求。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,為此必須對電壓進行穩(wěn)壓處理后才可給鋰離子電池充電電路提供電能。
從制造的難易程度和成本等方面考慮,半導體溫差電池組由單個發(fā)電單元構成是不合理的,這樣其輸出功率很低。通過優(yōu)化設計,在相同的半導體用料情況下,用串聯(lián)方式將若干較小的N-P電偶相連接,形成如圖3所示的半導體溫差電池(熱電堆)。在溫差電池中,每個電偶對都工作在相同的溫差下,他們的作用也相同,因此整個溫差電池的輸出功率就是單個N-P電偶輸出功率乘以總的對數(shù),一個擁有N對熱電偶的半導體溫差電池(熱電堆)的熱電電壓U為
U=Ns(tH-tL) (2)
從結構可看出,半導體熱電偶對在電路上是串聯(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,電流就會在回路中連續(xù)流動。
描述半導體溫差電池熱電轉換性能的主要參數(shù)有發(fā)電效率和輸出功率。當負載電阻RL和溫差電池本身的電阻R相匹配時,負載能夠從半導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對于半導體溫差電池的發(fā)電效率和輸出功率都很重要,而Z主要與半導體電偶臂的性質有關,對于材料溫差電特性一定的溫差電偶,優(yōu)值并不是一個常數(shù),而是與溫差電偶的幾何尺寸有關。電偶臂的長度小于1 mm時,輸出功率和發(fā)電效率均隨電偶臂長度的增加而提高;而當其長度超過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低啟動電壓的升壓器件,可計算出人體體溫經(jīng)該升壓器件給手機充電需要約809個熱電偶,將這些熱電偶陣列串聯(lián)組成熱電堆。假設環(huán)境與人體的溫差為9℃,轉化效率為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。為了滿足手機鋰離子電池的充電要求,還需進一步提高溫差產(chǎn)生的電壓和電流,可將半導體溫差電池進行串聯(lián)和并聯(lián)形成溫差電池組,將半導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)并無本質區(qū)別。
在1片長方形絕緣基片上采用熱電堆的生產(chǎn)工藝,將P型半導體和N型半導體材料鍍到基板上,制成1片包含有數(shù)百只熱電偶的單元,在其兩端鍍上連接點形成熱電堆(溫差電池),再將若干個熱電堆串并聯(lián)組成溫差電池組,兩邊焊好引線接到升壓穩(wěn)壓電路模塊。
半導體溫差電池組的熱電堆之間留有一定間隙,該間隙是為使配備者舒適而設置的排汗孔道,把溫差電池組縫到特制的馬夾上或帽子里邊,穿戴在身上,讓熱電偶的熱端面緊貼皮膚,冷端面暴露在空氣中,此時直流電產(chǎn)生模塊就開始輸m電壓。
3.2 升壓穩(wěn)壓模塊
體溫與外界環(huán)境之間的溫差較小,熱電偶產(chǎn)生的電壓也較小,而為手機充電需要4.2 V電壓,如果全部由熱電偶轉換,則需要很多熱電偶。采用升壓器件可解決這個問題。
根據(jù)塞貝克效應,直流電產(chǎn)生模塊兩邊的溫差不穩(wěn)定,輸出電壓也會不穩(wěn)定。因為很難將環(huán)境溫度(冷端的溫度)控制在一個固定值,所以輸出電壓需經(jīng)過穩(wěn)壓后才能送入手機。根據(jù)手機充電要求,選擇升壓DC/DC轉換器件PT1301實現(xiàn)升壓穩(wěn)壓電路,如圖4所示。輸出電壓由兩個外部電阻設定,即輸出電壓
調整R1、R2的阻值,使輸出電壓U0穩(wěn)定在4.2 V,輸出電流為160 mA。
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