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?？梢钥闯?，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?？紤]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。

在1片長(zhǎng)方形絕緣基片上采用熱電堆的生產(chǎn)工藝，將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)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(diǎn)形成熱電堆(溫差電池)，再將若干個(gè)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(dǎo)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(shè)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(shí)直流電產(chǎn)生模塊就開(kāi)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(jī)充電需要4．2 V電壓，如果全部由熱電偶轉(zhuǎn)換，則需要很多熱電偶。采用升壓器件可解決這個(gè)問(wèn)題。

根據(jù)塞貝克效應(yīng)，直流電產(chǎn)生模塊兩邊的溫差不穩(wěn)定，輸出電壓也會(huì)不穩(wěn)定。因?yàn)楹茈y將環(huán)境溫度(冷端的溫度)控制在一個(gè)固定值，所以輸出電壓需經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后才能送入手機(jī)。根據(jù)手機(jī)充電要求，選擇升壓DC／DC轉(zhuǎn)換器件PT1301實(shí)現(xiàn)升壓穩(wěn)壓電路，如圖4所示。輸出電壓由兩個(gè)外部電阻設(shè)定，即

調(diào)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。

4 手機(jī)體溫充電系統(tǒng)的工藝

手機(jī)體溫充電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是直流電產(chǎn)生模塊，該模塊主要是由809個(gè)半導(dǎo)體熱電偶形成的熱電堆。熱電堆的制造工藝主要涉及材料的切割成形和預(yù)處理，以及組件的整體焊接組裝等過(guò)程。根據(jù)前面的分析，熱電堆的制造工藝有下列要求：接觸電阻和接觸熱阻應(yīng)盡可能??；具有較高的可靠性和較強(qiáng)的機(jī)械承受力；容易實(shí)現(xiàn)與散熱器和人體表面的良好熱接觸；盡可能低的生產(chǎn)成本。

(1)材料的切割及預(yù)處理 目前最常用的溫差電材料Bi2Te3及其合金材料是采用熔體生長(zhǎng)法制備的。由于這類材料具有極易解理和各向異性的特點(diǎn)，在將晶錠切割成設(shè)計(jì)所需面長(zhǎng)比的條狀溫差電偶臂時(shí)，必須注意選擇材料的切割方向，使溫差電偶的長(zhǎng)度方向沿材料的生長(zhǎng)方向，從而保證溫差電偶處于優(yōu)值最大的方向。對(duì)于尺寸較小的溫差電偶臂，采用線切割或電火花切割可在很大程度上減小材料的損傷和切割損耗。然而這種方式切割速率較慢。

Bi2Te3及其合金具有斜方晶體結(jié)構(gòu)，通常難以與常用的幾種錫類焊料具有較好的可焊性，因而難于實(shí)現(xiàn)溫差電偶與導(dǎo)流片的直接焊接。常用的解決方法是在溫差電偶臂的端面上掛一層過(guò)渡焊料，通常采用Bi95Sb5，除了盡可能選擇接觸性能較好的焊料外，還需要適當(dāng)?shù)墓に?。焊接前，最好?duì)各焊接表面進(jìn)行化學(xué)清洗(腐蝕法)，焊接時(shí)則需要選擇適當(dāng)?shù)暮附訙囟群蜁r(shí)間，都可以在一定程度上提高熱電堆的接頭導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性。

(2)器件的組裝焊接 陶瓷金屬化技術(shù)是目前最常用的熱電堆制造技術(shù)。該技術(shù)采用熱導(dǎo)率較高和電絕緣較好的陶瓷片作為基片，根據(jù)熱電堆導(dǎo)流片設(shè)計(jì)圖，采用篩網(wǎng)印制和高溫?zé)Y(jié)的方法在陶瓷片上形成局部金屬化區(qū)域，然后在該區(qū)域形成銅導(dǎo)流片，之后就可將溫差電偶臂焊接在兩陶瓷片之間構(gòu)成熱電堆。常用的陶瓷片有氧化鋁(Al2O3)和氧化鈹(BeO)，普通的應(yīng)用要求多采用氧化鋁材料。

5 試驗(yàn)結(jié)果

直流電產(chǎn)生模塊利用半導(dǎo)體溫差電池組將冷面和熱面之間的溫差轉(zhuǎn)化為電壓，試驗(yàn)裝置如圖5所示。

在半導(dǎo)體溫差電池組的熱面加熱水，冷面加冷水，使其兩邊形成溫差，為把熱水的熱量很好的傳給半導(dǎo)體溫差電池組，半導(dǎo)體溫差電池組和金屬隔板之間的接觸面涂上一層薄導(dǎo)熱硅膠，排走接觸面的空氣，讓溫差電池組表面與金屬導(dǎo)熱隔板充分接觸。實(shí)驗(yàn)測(cè)得可調(diào)直流電源經(jīng)升壓器件給手機(jī)充電時(shí)其電壓約0．911 V，電流約70 mA，則等效輸入內(nèi)阻為13．01Ω。因此．試驗(yàn)采用由127對(duì)N-P半導(dǎo)體熱電偶組成1片溫差電池．其外形尺寸為40 mm×40 mm×4 mm，測(cè)得內(nèi)阻約為3．8 Ω，采用4片做不同的串并聯(lián)試驗(yàn)，外接負(fù)載為15 Ω電阻，使其等效為經(jīng)過(guò)升壓器件給手機(jī)充電。圖6為在不同溫差下的試驗(yàn)結(jié)果，表2列出了溫差為9 K時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

6 結(jié)論

根據(jù)理論分析設(shè)計(jì)了手機(jī)體溫充電系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，4片半導(dǎo)體溫差電池串聯(lián)時(shí)等效內(nèi)阻和負(fù)載電阻達(dá)到匹配，輸出功率最大，在相同溫差下利用半導(dǎo)體溫差電池的串聯(lián)可以提高電壓和電流，以滿足升壓穩(wěn)壓電路模塊的啟動(dòng)條件，從而滿足手機(jī)充電要求。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果均證明利用體溫為手機(jī)充電是可行的，只要進(jìn)一步提高熱電偶的轉(zhuǎn)化效率，將實(shí)現(xiàn)手機(jī)真正意義上的永不斷電。