人體熱能發(fā)電研究

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。基于人體熱能發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)世界各國科研人員從不同角度展開了深入研究。

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：TM619 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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；（5）安全無污染。目前，國內(nèi)外已針對微型溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造，開展了廣泛的研究。

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。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，研究者們設(shè)計(jì)并制造了各種各樣的微型溫差發(fā)電器，通過結(jié)構(gòu)和制造工藝的優(yōu)化來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，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)，每一組熱電對兩端的溫差一致，通過簡單串聯(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。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。通過以上工藝制備了11個(gè)熱電對的額帶結(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開路電壓。

3 結(jié)語

隨著穿戴式電子市場的迅猛發(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、制造成本高等問題。針對以上問題進(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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