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人體熱能發(fā)電研究

2016-12-27 18:47楊立波王延寧
科技資訊 2016年25期

楊立波+王延寧

摘 要:溫差發(fā)電技術(shù)能將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能,具有清潔、安全、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的優(yōu)點(diǎn),人體體表熱量收集的剛性溫差發(fā)電器,存在著器件可靠性差、制造成本高、柔性穿戴式濕差發(fā)電器的輸出功率較低,無(wú)法滿足穿戴式電子設(shè)備供電需求,嚴(yán)重制約了穿戴式溫差發(fā)電器的應(yīng)用?;谌梭w熱能發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)世界各國(guó)科研人員從不同角度展開(kāi)了深入研究。

關(guān)鍵詞:人體熱能發(fā)電 溫差發(fā)電機(jī) 發(fā)電特性

中圖分類號(hào):TM619 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2016)09(a)-0027-02

1 微墊溫差發(fā)電器

溫差發(fā)電器是能將人體熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置,穿戴式電子設(shè)備供電口溫差發(fā)電器的工作原理是基于塞貝克效應(yīng),將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料構(gòu)成閉合回路,當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí),將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N現(xiàn)象。溫差發(fā)電具有5個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件;(2)溫差存在時(shí),能將熱能轉(zhuǎn)化為電能;(3)體積小,便于攜帶;(4)性能穩(wěn)定,壽命長(zhǎng);(5)安全無(wú)污染。目前,國(guó)內(nèi)外已針對(duì)微型溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造,開(kāi)展了廣泛的研究。

2016年,ZhisongLu等人制造了一種可穿戴的紡織型溫差發(fā)電器,制造工藝為:在紡織層上打孔,孔內(nèi)沉積P型和N型納米熱電漿料,并涂覆銀膏作為導(dǎo)電層。實(shí)驗(yàn)表明,在溫差為5~35 K時(shí),最大輸出電壓達(dá)到l0 mV,而且經(jīng)100次彎曲和扭轉(zhuǎn),溫差發(fā)電器的輸出性能基本不發(fā)生改變,該紡織型溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)為穿戴式電子設(shè)備提供了新的供電方案。

2 微型溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

2008年,美國(guó)的Bell指出,為拓展溫差發(fā)電器的應(yīng)用,大多數(shù)研究均集中在如何制備得到較高ZT值的熱電材料方面,而對(duì)于溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面的研究比較少見(jiàn)。但是,拓展溫差發(fā)電器的應(yīng)用,不僅需要提高熱電材料性能,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝優(yōu)化也值得重點(diǎn)研究。近年來(lái),研究者們?cè)O(shè)計(jì)并制造了各種各樣的微型溫差發(fā)電器,通過(guò)結(jié)構(gòu)和制造工藝的優(yōu)化來(lái)提高器件的熱電性能。按照熱電臂的結(jié)構(gòu)類型和熱流傳遞方向,將微型溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)形式分為3類:薄膜、水平型;薄膜、垂直型;塊體、垂直型3種溫差發(fā)電器。

2.1 薄膜、水平型溫差發(fā)電器

薄膜、水平型溫差發(fā)電器通常將熱電薄膜和電連接層加工在水平襯底上,利用熱電臂冷熱端的熱量傳遞不均勻產(chǎn)生溫差發(fā)電。熱電臂一般采用磁控濺射、物理、化學(xué)沉積、絲網(wǎng)印刷等工藝加工成熱電薄膜,從微加工技術(shù)上來(lái)看是比較成熟的。溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)通常為剛性,具有體積小、熱阻大、電阻大的特點(diǎn)。為了増大冷熱端溫差,一般采用刻蝕工藝加工空穴或凹槽來(lái)降低冷端熱量傳導(dǎo)。

2010年,JinXie等人提出一種橋架式的平面型溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過(guò)沉積磷和硼重?fù)诫s的多晶硅熱電薄膜和電連接層形成熱電硅,為了優(yōu)化熱通量,熱電薄膜嵌入真空腔中。溫差發(fā)電器從底部的硅襯底吸收熱量,硅襯底的真空腔能夠阻止熱量傳遞到熱電臂冷端,而散熱層的真空腔能夠有效阻止熱電臂的熱端熱量散失,同時(shí)能增強(qiáng)熱電臂冷端散熱,有效地提高了熱電臂的冷熱端溫差。該溫差發(fā)電器所占區(qū)域?yàn)? cm2,當(dāng)溫差為5 K時(shí),輸出開(kāi)路電壓達(dá)到16.7 V,輸出功率為1.3 μW。

2013年,TeahoonPark等人提出一種平面型柔性溫差發(fā)電器,在薄膜基底上印刷P型和N型熱電薄膜,熱電樹(shù)料為有機(jī)聚合物PP-PEDOT漿料。該柔性溫差發(fā)電器能任意彎曲、祖轉(zhuǎn)、剪巧,當(dāng)指尖觸碰溫差發(fā)電器的一端時(shí),輸出電壓達(dá)到590 μV有機(jī)聚合物型溫差發(fā)電器具有良好的柔性,但缺點(diǎn)是熱電性能較差。

2.2 薄膜、垂直型溫差發(fā)電器

將薄膜、水平型溫差發(fā)電器中的熱電薄膜直立,就能得到薄膜、垂直型溫差發(fā)電器。通過(guò)基底的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將加工的熱電薄膜呈一定角度直立,一般采用氣相沉積、絲網(wǎng)印刷、磁控濺射等工藝制備,微加工技術(shù)比較困難。熱電薄膜直立后,由于熱電薄膜的熱阻大,熱損失較少,溫差得以保持,但內(nèi)阻過(guò)大也導(dǎo)致輸出功率受到限制。

2011年,WeiW等人設(shè)計(jì)了一巧層疊形式的溫差發(fā)電結(jié)構(gòu),通過(guò)電化學(xué)沉積在聚合薄膜基底上制備P型和N型基熱電薄膜,薄膜熱電臂的尺寸為3.6 mm×0.4 mm×20μm,熱電薄膜串聯(lián)形成陣列。將制造的熱電陣列層通過(guò)基底結(jié)合,并將相鄰兩層的引出端進(jìn)行電連接,形成層疊形式的溫差發(fā)電器。該結(jié)構(gòu)將熱電臂直立,能有效保持住熱電臂冷熱端的溫差。在溫差為20 K時(shí),該溫差發(fā)電器的開(kāi)路電壓為630 mV,內(nèi)阻為3.8 kΩ,最大輸出功率為37.35 μW。

2013年,L.Francioso等人設(shè)計(jì)并制造了一種新型的波浪型溫差發(fā)電器,如,以波浪型的PDMS作為支撐基底,聚酰亞胺緊密貼合在PDMS上,熱電薄膜和電連接層通過(guò)磁控濺射工藝沉積在聚酰亞胺基底上,構(gòu)成了一種柔性溫差發(fā)電器。采用上述工藝制造100組熱電對(duì),溫差為40 K時(shí),最大輸出功率為32 nW。

2.3 塊體、垂直型溫差發(fā)電器

塊體、垂直型溫差發(fā)電器中的熱電臂通常被加工成圓柱體或立方體,通過(guò)銀、銅導(dǎo)線進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián),熱電臂的連接形式一般為熱路并聯(lián),電路串聯(lián),每一組熱電對(duì)兩端的溫差一致,通過(guò)簡(jiǎn)單串聯(lián)就可提升輸出電壓。塊體、垂直型溫差發(fā)電器的熱阻較小,體積較大,但具有極低的內(nèi)阻,因此可產(chǎn)生較大的輸出功率。

2014年,M.K.Kim等人設(shè)計(jì)并制造了一種新型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的柔性溫差發(fā)電器,可進(jìn)行人體穿戴。通過(guò)噴墨打印工藝,將碲化鉍基熱電漿料打印在聚合紡織層的通孔內(nèi),并通過(guò)銀導(dǎo)線進(jìn)行電連接,形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的柔性溫差發(fā)電器。該溫差發(fā)電器面積為6 mm×25 mm,包含了12組熱電對(duì)。當(dāng)溫差為15 K時(shí),輸出功達(dá)到224 nW。

2014年,SimJinKim等人設(shè)計(jì)并制造了一種基于玻璃紡織物的穿戴式溫差發(fā)電器。采用玻璃紡織物作為熱電材料的支撐層,相比傳統(tǒng)的溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu),去除了陶瓷基底,大大降低了熱源與熱電臂之間的熱阻,器件輕且?。ê穸葍H為500 μm,重量0.13 g/cm2),具有高度柔性,適宜人體表面穿戴。當(dāng)溫差為50 K時(shí),此溫差發(fā)電器的功率密度達(dá)到3.8 mW/cm2。當(dāng)彎曲半徑小于20 mm,反復(fù)彎曲120次后,熱電性能依然保持良好。通過(guò)以上工藝制備了11個(gè)熱電對(duì)的額帶結(jié)構(gòu),貼合人體皮膚進(jìn)行發(fā)電。當(dāng)環(huán)境溫度為15 ℃時(shí),能穩(wěn)定輸出2.9 mV開(kāi)路電壓。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著穿戴式電子市場(chǎng)的迅猛發(fā)展,微型化、柔性、持久供電方式已成為制約穿戴式電子設(shè)備技術(shù)發(fā)展的重要瓶頸。溫差發(fā)電器作為一種清潔、安全、持久供電的供能方式,受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。目前用于人體熱量回收的溫差發(fā)電器存在輸出功率低、器件機(jī)械性能差、制造成本高等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行深入研究,將是人體熱能發(fā)電研究的主要方向。

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