CN113057405A - 结合太阳能与人体热能供电的免充电智能头盔 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结合太阳能与人体热能供电的免充电智能头盔，包括组合设置的头盔盔体和智能头戴结构，所述头盔盔体外表面设置有光电转换模块和热电转换模块；所述头盔盔体内还设置有电源处理模块，所述电源处理模块分别与所述光电转换模块、所述热电转换模块连接。结合太阳能充电和人体热能供电，实现智能头盔的免充电，减小电池容量，同时降低头盔内温度，提高佩戴者的使用体验。

Description

结合太阳能与人体热能供电的免充电智能头盔
技术领域
本发明涉及智能设备技术领域，更具体的说是涉及一种结合太阳能与人体热能供电的免充电智能头盔。
背景技术
目前，基于塞贝克热电效应制作的热电能量转换器已经应用到太空飞行器的供电等方面，工业和商用的热电转换技术与方案仍在发展中，已经有一些小型化、柔性化的热电能量收集技术与材料出现，适用于小型电子产品应用的模块化的热电转换产品和方案已经可以从市场获得，其应用前景广阔。
对于包括智能穿戴设备在内的小型电子产品，供电与散热始终伴随着行业发展与产品开发。智能头戴一般具备摄像头、显示器、中高性能多媒体处理器、无线与蜂窝通信模块等耗电与发热较大的模块或部件，其供电电池的电能容量会影响产品的待机时间和用户的使用体验，容量过大的供电电池会增加头戴的重量，比较严重的发热也会影响用户的佩戴感受，直接接触皮肤部件的高温会对佩戴者造成更严重的不适。
因此，如何解决穿戴头盔设备电池容量过大，重量和散热影响佩戴者体验是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种结合太阳能与人体热能供电的免充电智能头盔，利用太阳能和人体散发热量进行电能转换，实现智能头盔的免充电功能，由于可以随时利用太阳能和人体热能进行充电，使得设置的电池容量减小，重量减轻，提高佩戴者的使用体验。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种结合太阳能与人体热能供电的免充电智能头盔，包括组合设置的头盔盔体和智能头戴结构，所述头盔盔体上设置有光电转换模块和热电转换模块；所述头盔盔体内还设置有电源处理模块，所述电源处理模块分别与所述光电转换模块、所述热电转换模块连接。
优选的，所述头盔盔体和所述智能头戴结构通过绑定或卡接进行组合固定。
优选的，所述电源处理模块包括依次连接的电源适配模块、充电管理模块、电池和电源管理模块；所述光电转换模块和所述热电转换模块的输出端均连接所述电源适配模块。
优选的，所述热电转换模块包括薄膜化柔性温差发电组件；所述温差发电组件包括PN热电单元、冷面、热面、正极和负极，其中，所述PN热电单元位于所述冷面和所述热面之间，所述正极连接贴近所述冷面的所述PN热电单元的电偶壁，所述负极连接贴近所述热面的所述PN热电单元的电偶壁；所述正极和所述负极均连接至所述电源适配模块；所述热面位于所述头盔盔体内贴近头皮的一侧，所述冷面位于所述头盔盔体外侧。
优选的，智能头盔中还设置有处理器、摄像头、无线与蜂窝电路，所述头盔盔体上还设置有近眼显示器、触摸区域、听筒和麦克风；所述摄像头、所述无线与蜂窝电路、所述近眼显示器、所述触摸区域、所述听筒和所述麦克风均连接所述处理器；所述处理器连接所述电源管理模块的输出端。
优选的，所述充电管理模块设置有USB接口。可外接交流电源适配器、计算机USB接口或OTG USB设备。
优选的，所述光电转换模块包括太阳能电池板，所述太阳能电池板安装在所述头盔盔体顶部前方。
优选的，免充电智能头盔包括三组所述热电转换模块，一组所述热电转换模块包括若干组所述PN热电单元，所述PN热电单元通过串联或并联组合连接在所述正极和所述负极之间；三组所述热电转换模块分别安装在所述头盔盔体顶部后方和两侧边。由于PN热电单元输出电压低、电流小，通过串联组合若干组PN热电单元可以提高输出电压，满足电路对电压的需求，通过并联组合可以提供更大的电流，增加负载能力。
优选的，所述头盔盔体和所述智能头戴结构为一体化结构设置。
优选的，所述太阳能电池板采用柔性材料，贴合设置在所述头盔盔体外表面。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种结合太阳能与人体热能供电的免充电智能头盔，包括以下有益效果：
(1)采用热电能量转换和光电能量转换结合的技术，在室外使用时将太阳能转换成电能存储并给头戴电路供电，环境温度较低或室内使用时将人体热能收集并转换成电能为电池充电，同时给头戴电路供电，可以做到智能头盔的免充电工作；
(2)由于存在光能到电能的转换存储和人体热量的随时吸收、电能转换与存储，因此可以延长头盔的待机时间，或减小电池容量，在轻负载情况下做到免充电；
(3)由于部分人体热耗散转换成了电能，可以降低头盔内的温度，提高佩戴者的使用体验；
(4)热电转换和光电转换可以同时工作，也可以单独工作，当热电转换模块冷面与热面存在温差时，热电转换模块自动工作并输出电流，当太阳光照射到光电转换模块时，该发生光电转换并输出电流；
(5)经过热电转换和光电转换的电流再经过电源适配和充电管理后为电池充电，然后经过电源管理模块生成适用于智能头盔头戴各部分电路需要的电源；
(6)采用薄膜化热电转换材料作为热电转换模块的采集部件，布满智能头盔盔体内表面，甚至可以与盔体做一体化设计，能够取得更好的热电转换效果，从环境光热中获得更多电能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的光热电转换电路结构图；
图2附图为本发明提供的智能头盔电路结构图；
图3附图为本发明提供的温差发电组件结构示意图；
图4附图为本发明提供的智能头盔的结构外观图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种结合太阳能与人体热能供电的免充电智能头盔，包括组合设置的头盔盔体和智能头戴结构，头盔盔体上设置有光电转换模块和热电转换模块；头盔盔体内还设置有电源处理模块，电源处理模块分别与光电转换模块、热电转换模块连接。
为了进一步优化上述技术方案，头盔盔体和智能头戴结构通过绑定或卡接进行组合固定。
为了进一步优化上述技术方案，电源处理模块包括依次连接的电源适配模块、充电管理模块、电池和电源管理模块；光电转换模块和热电转换模块的输出端均连接电源适配模块。
为了进一步优化上述技术方案，热电转换模块包括薄膜化柔性温差发电组件；温差发电组件包括PN热电单元、冷面、热面、正极和负极，其中，PN 热电单元位于冷面和热面之间，正极连接贴近冷面的PN热电单元的电偶壁，负极连接贴近热面的PN热电单元的电偶壁；正极和负极均连接至电源适配模块；热面位于头盔盔体内贴近头皮的一侧，冷面位于头盔盔体外侧。
为了进一步优化上述技术方案，智能头盔中还设置有处理器、摄像头、无线与蜂窝电路，头盔盔体上还设置有近眼显示器、触摸区域、听筒和麦克风；摄像头、无线与蜂窝电路、近眼显示器、触摸区域、听筒和麦克风均连接处理器；处理器连接电源管理模块的输出端。
为了进一步优化上述技术方案，充电管理模块设置有USB接口。可外接交流电源适配器、计算机USB接口或OTG USB设备。
为了进一步优化上述技术方案，光电转换模块包括太阳能电池板，太阳能电池板安装在头盔盔体顶部前方。
为了进一步优化上述技术方案，免充电智能头盔包括三组热电转换模块，一组热电转换模块包括若干组PN热电单元，PN热电单元通过串联或并联组合连接在正极和负极之间；三组热电转换模块分别安装在头盔盔体顶部后方和两侧边。
为了进一步优化上述技术方案，头盔盔体和智能头戴结构为一体化结构设置。
为了进一步优化上述技术方案，太阳能电池板采用柔性材料，贴合设置在头盔盔体外表面。
实施例
如图1所示，光电转换模块和热电转换模块分别收集光能和热能进行电能转换，输出的电能经过电源适配模块，分别完成升压/降压的稳压过程，合并形成稳定的电压输出，这路稳定的电压输出提供给充电管理模块，进一步对电压进行调理，输出给电池进行充电。由此经热电、光电转换的来自自然的光能和来自人体发热的热能以电能形式储存到电池里。
本实施例中光电转换模块采用一块太阳能电池板，采用三组热电转换模块分布在头盔盔体上，太阳能电池板完成自然光能量的吸收与光电转换，形成持续的光电流，而热电转换器则完对人体热量的吸收与热电转换，形成持续的热电流，三只热电转换模块的并联连接可以增大吸热面积、增加电流输出。
充电管理电路可以接收前述光热电转换与适配电路的输出，为电池供电，同时保留USB接口，可以接受交流电源适配器、计算机USB接口或OTG USB 设备的供电与充电。
如图2所示，电源管理模块形成智能头盔电路中头戴各单元、各模块、各环节工作需要的不同电压、电流等级的电源。电源管理电路接收电池的输出，形成为处理器、显示器、摄像头以及无线与蜂窝电路等供电的各路电源。智能头戴结构采用多媒体通信处理器，同时具备高速图像与数据处理能力和无线调制解调能力，其余各单元和部件以处理器外设的形式挂接在其***，包括电源管理模块。
其中，摄像头包括可见光摄像头和红外摄像头两只摄像头，分别用于高质量可见光图像与视频的获取和红外图像与视频的获取，即使在夜间也能获得较高质量的图像，还具备红外温度图测量功能；显示器包括近眼显示器，通过显示驱动电路可以控制显示器的刷新率、亮度、色度等信息；蜂窝通信电路则提供远程接入能力，而WIFI/BT/GPS模块和蓝牙(BT)提供近距离无线连接，WIFI提供另一种远程接入手段，GPS则提供头戴设备定位功能，可选 FM远程对讲模块，同时还可以设置一块触摸区域、一个听筒、两只麦克风，分别提供触屏操作、音频播放和音频采集的功能。
如图3所示为热电转换模块的温差发电组件结构示意图，利用两导体温差来进行能量转换的，将两种不同的热电材料(P型和N型)的一端通过优良导体连接起来，另一端则分别与导体连接，构成一个PN结，得到一个简单的热电转化组件，称为PN热电单元3。若干PN热电单元通过并联、串联连接可以增加热电转换输出的电压和电流。
温差发电组件包括PN热电单元3、冷面1、热面2、正极4和负极5；其中PN热电单元3位于冷面1和热面2之间，正极4位于贴近冷面1的PN热电单元3电偶壁31上，负极5位于贴近热面2的PN热电单元3电偶壁31上，一组PN热电单元3包括P型半导体和N型半导体，两种材料半导体同侧的一端连接在同一组电偶壁31上，另一端与其余PN热电单元3的不同材料半导体连接在同一组电偶壁31上，其中PN热电单元3的两种材料半导体同侧相连的电偶壁31固定在冷面1上，另一侧电偶壁31固定在热面2上，热面2 位于头盔盔体贴近头部的一侧，冷面1位于头盔盔体内内表面一侧。温差发电组件的正极4和负极5分别连接至热能收集单元，热能收集单元连接至电源适配模块。
当冷面1与热面2存在温差时，P型半导体和N型半导体里的载流子(电子)就会从热面2向冷面1迁移，从而在电偶臂31两端形成电势差，电路中便会有电流产生。如果维持冷面1与热面2的温度差，这种电荷迁移就会持续，在引出的电极输出电能。
热电转换模块采用的热电发生器是TEG1-30-30-2.1/100模块，其尺寸 30*30*3.6毫米，重量15克，其最大开路热电转换输出电压5.4伏特，最大短路电流1.6安培，可最大提供2.1瓦特的电能输出。多块并联连接可以提供更大的热收集面积，并提供更大的输出电流。定制的半柔性太阳能电池板，尺寸120*60*2.5毫米，重量20克，输出电压5.5伏特，最大短路电流1安培，最大可以提供2瓦特的电能输出。
电源适配模块包括升压转换模块，采用高集成的DC/DC转换器，型号为 LTC3108芯片，LTC3108采用一个内部MOS开关、一个外接变压器和一个小的耦合电容形成一个振荡器，能够将电压放大到2.2V、2.35V、3.3V、4.1V 和5V等多种输出电压。
充电管理模块包括依次连接的防过充电路、防逆流电路和电池稳压电路，其中防过充电路选用MCU为核心电路，实时监测电路中的电压值，当超过电池所能承受的最大电压值时，阻止电源适配模块输出电能，当电压值降低后，再次恢复电源适配模块输出电能；防逆流电路选用硅整流二极管，放置当电源适配模块停止输出电能时，电池中的电能放过来流向电源适配模块，既消耗能量，又可能会导致电路发热损坏；电池稳压电路选用并联晶体管稳压电路，在输入电压、环境温度等发生变化时，仍能保证向电池输出恒定的电压，以防止因输入过大的电压而损坏电池。
采用光电转换材料的工作原理是将相同的材料或两种不同的半导体材料做成PN结电池结构，当太阳光照射到PN结电池结构材料表面时，通过PN 结吸收光子将能量传递给电子使其运动从而形成电流，从而将太阳能转换为电能。
如图4所示为免充电智能头盔的外观结构，包括头盔盔体61，光电转换模块62，盔体内侧左右对称设置的热电转换模块63，藏在光电转换模块下盔体上的电源处理模块64，摄像头65，近眼显示器66，以及USB接口67。
本发明利用人体自身热量和自然光的能量转换为电池充电，摆脱了外置无线充电装置的束缚，特别适合于可穿戴设备或植入式设备的充电与供电。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种结合太阳能与人体热能供电的免充电智能头盔，其特征在于，包括组合设置的头盔盔体和智能头戴结构，所述头盔盔体上设置有光电转换模块和热电转换模块；所述头盔盔体内还设置有电源处理模块，所述电源处理模块分别与所述光电转换模块、所述热电转换模块连接。
2.根据权利要求1所述的结合太阳能与人体热能供电的免充电智能头盔，其特征在于，所述头盔盔体和所述智能头戴结构通过绑定或卡接进行组合固定。
3.根据权利要求1所述的结合太阳能与人体热能供电的免充电智能头盔，其特征在于，所述电源处理模块包括依次连接的电源适配模块、充电管理模块、电池和电源管理模块；所述光电转换模块和所述热电转换模块的输出端均连接所述电源适配模块。
4.根据权利要求3所述的结合太阳能与人体热能供电的免充电智能头盔，其特征在于，所述热电转换模块包括薄膜化柔性温差发电组件；所述温差发电组件包括PN热电单元、冷面、热面、正极和负极，其中，所述PN热电单元位于所述冷面和所述热面之间，所述正极连接贴近所述冷面的所述PN热电单元的电偶壁，所述负极连接贴近所述热面的所述PN热电单元的电偶壁；所述正极和所述负极均连接至所述电源适配模块；所述热面位于所述头盔盔体内贴近头皮的一侧，所述冷面位于所述头盔盔体外侧。
5.根据权利要求3所述的结合太阳能与人体热能供电的免充电智能头盔，其特征在于，智能头盔中还设置有处理器、摄像头、无线与蜂窝电路，所述头盔盔体上还设置有近眼显示器、触摸区域、听筒和麦克风；所述摄像头、所述无线与蜂窝电路、所述近眼显示器、所述触摸区域、所述听筒和所述麦克风均连接所述处理器；所述处理器连接所述电源管理模块的输出端。
6.根据权利要求3所述的结合太阳能与人体热能供电的免充电智能头盔，其特征在于，所述充电管理模块设置有USB接口。
7.根据权利要求1所述的结合太阳能与人体热能供电的免充电智能头盔，其特征在于，所述光电转换模块包括太阳能电池板，所述太阳能电池板安装在所述头盔盔体顶部前方。
8.根据权利要求4所述的结合太阳能与人体热能供电的免充电智能头盔，其特征在于，免充电智能头盔包括三组所述热电转换模块，一组所述热电转换模块包括若干组所述PN热电单元，所述PN热电单元通过串联或并联组合连接在所述正极和所述负极之间；三组所述热电转换模块分别安装在所述头盔盔体顶部后方和两侧边。
9.根据权利要求1所述的结合太阳能与人体热能供电的免充电智能头盔，其特征在于，所述头盔盔体和所述智能头戴结构为一体化结构设置。
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