CN104578978B - 一种便携可穿戴的温差发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种便携可穿戴的温差发电装置，由集热器、热电模块及散热器组成且总厚度小于10mm，热电模块运作于温差范围10℃~60℃，其中集热器包括底部热板和直接接触设于底部热板与热电模块热端面之间的导热基座，底部热板为丝网状的良热导体；散热器包括散热面和直接接触设于热电模块冷端面散热基座；热电模块为集成有稳压模块的芯片且芯片中设有间隔式密集阵列型的热电偶对，稳压模块外联储能单元、LED指示灯及USB插座。应用本发明温差发电装置，能够利用任何热能发电，无噪声、无消耗、体积小、夹层薄、方便穿戴携带、保存及组装，填补了可穿戴电子能源领域的空白，该产品绿色环保，适用范围广，工作寿命长，还适于野外单独使用或与炊具集成使用。

Description

一种便携可穿戴的温差发电装置

技术领域

本发明涉及一种发电装置，尤其涉及一种温差发电在可穿戴、便携式生活用品中新应用的实现方案，属于温差发电应用领域。

背景技术

传统的燃料能源正在一天天减少，它对环境造成的危害日益突出。目前，我国有七千万无电人口远离电网电力***。当今全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构、提供可持续发展的能源、也可解决分布式发电的下乡问题。

发电技术的演变历史包括传统的水轮驱动的涡轮发电机，蒸汽驱动的发电机，内燃机发电发动机，及天然气驱动的涡轮发电机，烧煤的涡轮发电机，和原子能驱动的蒸汽涡轮发电机。 所有上述这些都会导致巨大的环境破坏诸如：洪水泛滥、空气或水污染。就此环保问题，我们必须做地球的减法节能减排，使其满足宏观环境环保的能源要求。在野外及远海作业、科考、探险、救援等活动经常需要便携式电源供应，目前常用的便携式电源如蓄电池、柴油发电机或折叠光伏板等在使用上有一定的局限性。比如，蓄电池的容量有限、供电不能持续；柴油发电机携带不便、需要消耗燃料。折叠式光伏板无法在夜间使用。

现有的技术方案中，有采用太阳能热发电的方式。平板集热器将太阳能中指定波段的热能进行收集，之后通过导热装置将热能传输给热电芯片的热端，热电芯片冷端的散热器多采用循环水作为冷却介质。这样的方式，受限于平板集热器的面积和散热器的位置的限制。

现有技术的缺点主要体现在：

1）所用设备比较昂贵，一次性投入成本高；或者设备比较特殊，部分属于专门为某种微型热电模块制作工艺而设计的设备，不易实现大批量生产。

2）制作工艺不是以市场上可以低价买到的热电块体材料为原料，而是以粉体或元素单质为原料，利用冷凝、粉体烧结、薄膜等制备技术进行合成，这就加大了技术难度和产品的质量风险。

3）工艺步骤较多，有的工艺跨越材料合成、精密机械加工和微电子等多个技术领域，产品质量管理不易进行。

4）部分工艺对操作人员的技术水平和熟练程度要求较高，运营成本高。

5）现有的微电子工艺制作在微型热电模块应用上普遍存在有效传热面积低的问题，导致功率密度一般较低。

近20年来，热电模块的微型化技术因其独特的应用背景受到了越来越广泛的关注。美、德、日等国相继开发了多种热电模块微型化的技术方案，并将其应用于便携式电源、海底探测器、气体传感器和医疗器械等领域。过去的解决方案是在边远地区携带很多电池；然而现在给边远地区有方便得多的解决方案。即使没有电网电力***，人们现在可利用各种热源发电诸如用地热、工业废热、垃圾焚烧、矿山废热、原子能废热、及火热等。另外，在火星、月球探索等航天器正在使用温差发电设备。

发明内容

本发明的目的是提出一种便携可穿戴的温差发电装置，提供废热利用、温差发电在可穿戴、便携式生活用品领域的全面技术解决方案。

本发明的上述目的，将通过以下技术方案得以实现：一种便携可穿戴的温差发电装置，其特征在于：所述温差发电装置由集热器、热电模块及散热器组成且总厚度小于10mm，其中所述热电模块运作于温差范围10℃~60℃，所述集热器包括集热的底部热板和直接接触设于底部热板与热电模块热端面之间的导热基座，所述底部热板为丝网状的良热导体；所述散热器包括散热面和直接接触设于热电模块冷端面散热基座；所述热电模块为集成有稳压模块的芯片且芯片中设有间隔式密集阵列型的热电偶对，所述稳压模块外联储能单元、LED指示灯及USB插座。

进一步地，所述底部热板为丝网状的良导热体，且朝向导热基座设为多孔散热的聚酯布。

进一步地，所述温差发电装置应用于可穿戴服装或可穿戴配饰，且所述集热器、热电模块及散热器为柔性弯曲型。

进一步地，所述温差发电装置应用于便携式充电宝，且所述底部热板浸没于高温的气体、液体中或火苗上。

进一步地，所述热电模块中间隔式密集阵列型的热电偶对之间设有绝热层。

进一步地，所述温差发电装置中的集热器、热电模块和散热器呈水平式摆设。

进一步地，所述温差发电装置中的集热器、热电模块和散热器呈竖直式摆设，且基于散热器并联、集热器并联，所述温差发电装置由两层以上散热器、集热器和热电模块叠设构成，各热电模块级联输出至稳压模块。

进一步地，所述散热器为翅片式的空冷散热器、双相的气液冷却器或循环水冷散热器。

本发明技术方案应用实施后的显著效果为：通过特殊设计的热管理***，使得温差发电能够在超薄型可穿戴或充电宝上，做到利用任何热能发电，无噪声、无消耗、体积小、夹层薄、方便携带、保存及组装，填补了可穿戴电子能源领域的一项空白，该产品绿色环保，适用范围广，工作寿命长，适于野外单独使用或与炊具集成使用。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1是本发明温差发电装置的结构剖视示意图。

图2是本发明温差发电装置水平摆设的结构示意图。

图3是本发明温差发电装置竖直摆设的结构示意图。

图4是本发明温差发电装置的电路结构示意图。

具体实施方式

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

如图1所示，本发明公开了一种温差发电装置，包括集热器、散热器以及夹设在散热器和集热器之间的多个热电模块且总厚度小于15mm，其中热电模块2运作于温差范围10℃~60℃，该集热器包括集热的底部热板11和直接接触设于底部热板与热电模块热端面之间的导热基座12，该底部热板为丝网状的良热导体；该散热器包括散热面41和直接接触设于热电模块冷端面散热基座42；该热电模块2为集成有稳压模块的芯片且芯片中设有间隔式密集阵列型的热电偶对，该稳压模块外联储能单元、LED指示灯及USB插座。热电模块两端存在温差即可发电，最后将热电模块发出的电通过串并联集中起来，便可以供给人们日常使用。

该装置可以绿色生产、使用、满足环保严格的要求。基本上做到以利用任何热能发电。无噪声，无消耗，体积小，夹层薄，方便携带、保存及组装。可在传统领域应用，或进入新的客户及应用。该装置能填补可穿戴电子技术能源的一些空白。使用范围广、工作寿命长，可与炊具集成，适于在野外单独使用或者作为便携式电源***的充电装置使用。这样，利用常见的热源提供可穿戴电子设备的电能。温差发电技术的推广将对节能减排，保护环境有着十分重要的意义。一方面它实现了对可持续能源的利用，另一方面又能满足偏远地区对电的需求。

最近理论研究表明，在利用温差发电进行热电余热回收时，仅靠减小热电模块的特征尺寸就可以在不改变转化效率和功率的前提下有效减少材料的使用量，从而降低成本和环境代价。因此适合于大规模生产的低成本微型热电模块制造技术将在未来显现出广阔的市场前景。可以实现微型热电模块批量化生产的技术列举如下：美国专利US6440212B1、美国专利US005956569A、美国专利US20020069906A1、美国专利US006100463A、中国专利CN200510082038.9等。

如图1所示，是本发明温差发电装置的核心结构示意图。作为本发明的优选实施例，该温差发电装置应用于可穿戴生活用品。其具有集热器、散热器以及夹设在散热器和集热器之间的多个热电模块。从图示可见，上述集热器以丝网状的良导热体作为衬底，且朝向导热基座设为多孔散热的聚酯布，并与可穿戴产品外形匹配裁制，集热器厚度通常在1-4mm之间，优选2mm；上述散热器集成设于可穿戴产品的外表，以常规风冷、水冷或蒸发性的气液双相致冷为主，两者之间的热电模块为间隔式阵列布置，分别由绝热层3分隔各热电偶对。该温差发电装置可根据需求自主定制幅面大小，也可以采用多个该装置分布式设于可穿戴用品并且级联至共同的输出端。必要时，该温差发电装置的各组成部分可做成柔性弯曲型，只需保证各层相互平行即可。

市场上，移动电源作为当前主流的便携式供电电源，但由于产品体积的限制其容量提升始终难以突破。而采用该温差发电装置，只需将集热器浸没于高温的气体、液体中或野外的火苗上，即可提供热电模块足够的温差要求，从而实现灵活充电。此时，集热器可采用诸如紫铜、铍铜等制作面积足够大、热流均匀输出的端面；而散热器可采用紫铜、铝的翅片，且散热器的面积相对热电模块需相等或稍大，冷却效率可维持到温差50℃左右，以便足以维持冷热端的温差均匀性和热流密度均匀性。其间采用石棉框架进行绝热，从而热电模块得以固定并使得热端、冷端的热量能够充分、优选地全部流过热电模块。

从具体的实施来看，如图2所示，上述温差发电装置中的集热器、热电模块和散热器可以呈水平式摆设。但也不乏另外的实施方式，如图3所示，上述温差发电装置中的集热器、热电模块和散热器呈竖直式摆设，而且基于散热器并联、集热器并联的统一热管理方式，该温差发电装置由两层以上散热器、集热器和热电模块叠设构成，各热电模块级联输出至稳压模块。热端有直接导热通道使之相连于集热器；并且所有冷端有直接通道相连于散热器。

基于上述结构设计，本发明还提出了微型热电芯片热电臂金属化的工艺。上述热电偶对的基元是由两种相异的热电半导体材料配对组成。典型例子的热电器件有一种p-型热电材料和一种n-型热电材料。p-型热电材料中电流与热流的载流子方向一致；而n型热电材料的载流子方向对电流、热流相反。制造热电模块即是将该些基元优选地、并高密度地叠加联系起来。

该温差发电装置在实际生产过程中，提供一种衬底材料为陶瓷-1或高导热材料，譬如高热导京瓷AN242型号。它的几何形状在一定范围内可由3D打印控制和两种热电臂同时成型。3D打印***将n-型材料（譬如“BiTe”）和p-型材料（譬如“BiSbTe”）生成高密度的阵列。间隔材料是低热导率的陶瓷-2，譬如京瓷GL771型号。生成所需的几何构型后，在300度左右的温度退火，经过建模过程即可一次性即时完成上述多种材料的实物。3D打印这样完成了组元器件的阵列、并且很环保地制造了热电模块。热电组元阵列（接线）的串并联电路经过其后端电极的打印完成接线（用铜、铅或铝材料等）。后端封装时采用3D打印上述高热导陶瓷-1完成。

如图4所示，是本发明温差发电装置的电路结构示意图。从图示可见，上述热电模块中集成有DC-DC稳压模块，该稳压模块可根据温差发电的实际应用需求稳定输出所需的电压、电流，而输入向则接收来自于热电偶对的生成电流，由于温差的波动区间，该热电偶对输出电压也具有一定的波动性，故而采用该稳压模块，能实现输入范围0.9V-24V而稳定输出5V电源。另一商用转换器Maxim668（美国马克西姆公司产品）同样适用，该转换器的计数指标为输入范围2.7-18V而稳定输出5V电源。稳压模块的输出向可外接充电电路及蓄电池作内部储能之用，也可以外接LED指示灯及USB插座，供USB接口设备使用。

本发明的可穿戴设备具有无噪声、寿命长等特点，适用于各种粗犷的环境。只要有热源就可解决可穿戴电子产品的供电问题。并且设备可以绿色生产使用、满足环保严格的要求。可适合在一些偏远、供热充足的地区大量推广利用来满足这些偏远缺电区对电的需求的温差发电装置。

除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种便携可穿戴的温差发电装置，其特征在于：所述温差发电装置由集热器、热电模块及散热器组成且总厚度小于10mm，其中所述热电模块运作于温差范围10℃～60℃，所述集热器包括集热的底部热板和直接接触设于底部热板与热电模块热端面之间的导热基座，所述底部热板为丝网状的良热导体；所述散热器包括散热面和直接接触设于热电模块冷端面散热基座；所述热电模块为芯片且芯片中设有间隔式密集阵列型的热电偶对，所述热电模块中集成有稳压模块，所述稳压模块外联储能单元、LED指示灯及USB插座；所述温差发电装置应用于可穿戴服装或可穿戴配饰，且所述集热器、热电模块及散热器为柔性弯曲型；所述底部热板为丝网状的良导热体，且朝向导热基座设为多孔散热的聚酯布。

2.根据权利要求1所述便携可穿戴的温差发电装置，其特征在于：所述温差发电装置应用于便携式充电宝，且所述底部热板浸没于高温的气体、液体中或火苗上。

3.根据权利要求1所述便携可穿戴的温差发电装置，其特征在于：所述热电模块中间隔式密集阵列型的热电偶对之间设有绝热层。

4.根据权利要求1所述便携可穿戴的温差发电装置，其特征在于：所述温差发电装置中的集热器、热电模块和散热器呈水平式摆设。

5.根据权利要求1所述便携可穿戴的温差发电装置，其特征在于：所述散热器为翅片式的空冷散热器、双相的气液冷却器或循环水冷散热器。