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手機(jī)體溫充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2009-12-11 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1 引言
已成為人們生活中不可缺少的通信工具。目前都是由可的鋰離子電池供電,在野外或無(wú)市電的情況下,隨時(shí)可能沒電,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)境污染問題。因此,微型溫差電器件將有美好的應(yīng)用前景,手機(jī)對(duì)于新能源開發(fā)必定具有重要的實(shí)際意義。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/181151.htm


2 手機(jī)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??梢钥闯觯^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)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),而另一端開路并且處于低溫狀態(tài)(冷源),則在冷源端會(huì)產(chǎn)生開路電壓△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)
如圖1所示,手機(jī)系統(tǒng)主要包括3部分:直流電產(chǎn)生模塊、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)體產(chǎn)生直流電能,只要環(huán)境與人體皮膚之間存在溫差,兩端便產(chǎn)生電壓。半導(dǎo)體產(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。


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