手機體溫充電系統(tǒng)的設計

1 引言
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。經研究人體與環(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。因此，微型溫差電器件將有美好的應用前景，手機體溫充電系統(tǒng)對于新能源開發(fā)必定具有重要的實際意義。

2 手機體溫充電的原理
2．1 人體的能量
正常情況下，人體發(fā)出的紅外波長為8～12μm，人體基礎代謝24 h內所產生的熱能為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?？梢钥闯?，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，其單位是V／K或μV／K。塞貝克系數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：直流電產生模塊、升壓穩(wěn)壓電路模塊和手機充電接口。直流電產生模塊主要利用半導體溫差電池組產生直流電能，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生電壓。半導體溫差電池組產生的電壓較小，為了減少溫差電池的數量，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。

3．1 直流電產生模塊
根據塞貝克效應，利用半導溫差電池組將熱能轉換成電能，產生直流電。熱電材料是一種能夠將熱能和電能相互轉換的功能材料，其參數如表1所示，選擇多晶硅材料制作熱電偶，其相對于10μm波長的光源可顯示出90％以上的高吸收率?？紤]到材料優(yōu)值系數對發(fā)電效率的影響至關重要，而半導體材料的溫差電優(yōu)值系數最高。所以它是制造溫差電池的首選材料。最簡單的半導體溫差發(fā)電單元(圖2)由N型和P型半導體電偶臂以及負載電阻RL構成，通過金屬材料(通常是銅)相連接，工作在高溫熱源和低溫冷源之間，形成回路后就有電流流過負載電阻。