CN105703462A - 一种可穿戴设备的热电发电装置和对蓄电电源充电的衣物 - Google Patents

一种可穿戴设备的热电发电装置和对蓄电电源充电的衣物 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于可穿戴设备的热电发电装置和对蓄电电源充电的衣物，该热电发电装置用于收集人体热能转换为电能以支持可穿戴智能设备工作，包括：P型和N型半导体、导电片和导线；其中，导电片包括第一导电片和第二导电片，P型和N型半导体的一端通过第一导电片连接，另一端分别连接一第二导电片，第二导电片通过导线连接到蓄电电源的两极，蓄电电源用于可穿戴设备的供电，热电发电装置设置于衣物中。本发明能够将热电发电装置植入衣物、帽子等日常穿着中，大面积地收集人体所散发出的热量，使收集到的电能足以提供日常的电子产品功耗。

Description

一种可穿戴设备的热电发电装置和对蓄电电源充电的衣物
技术领域
本发明涉及智能设备领域，特别是涉及一种可穿戴设备的热电发电装置和对蓄电电源充电的衣物。
背景技术
热电材料是一种能实现电能与热能交互转变的材料。其优点如下：体积小，重量轻，坚固，且工作中无噪音；可回收热源并转变成电能(节约能源)，使用寿命长，易于控制。基于其良好的热电性能，可用于为可穿戴智能设备提供电能。
现有技术中，为可穿戴设备收集能量的热电技术，所使用的热电发电材料都为块体的成对P型与N型半导体组。在导热方面还需要加上刚性的陶瓷片，所以热电发电装置很难做成可以用在可穿戴设备上。而且仅具备单一的热电发电元件，所能产生的电能太小，无法支撑可穿戴智能设备长时间工作。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种可穿戴设备的热电发电装置和对蓄电电源充电的衣物，能够将热电发电装置植入衣物、帽子等日常穿着中，大面积地收集人体所散发出的热量，使收集到的电能足以提供日常的电子产品功耗。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种用于可穿戴设备的热电发电装置，用于收集热能转换为电能以支持所述可穿戴智能设备工作，包括：P型和N型半导体、导电片和导线；
其中，导电片包括第一导电片和第二导电片，P型和N型半导体的一端通过第一导电片连接，另一端分别连接一第二导电片，第二导电片通过导线连接到蓄电电源的两极，蓄电电源用于可穿戴设备的供电。
其中，电热发电装置至少2个串联，形成热电发电机组，相邻的热电发电装置通过第二导电片连接，且P型半导体的第二导电片连接到N型半导体的第二导电片位于串联的两端的热电发电装置的第二导电片通过导线连接到蓄电电源。
其中，P型半导体和N型半导体为半导体纳米线，第一导电片和第二导电片为金属纳米导电片。
其中，金属纳米导电片通过磁场诱导沉积与P型半导体和N型半导体进行连接。
其中，至少2个热电发电机组并联，至少2个热电发电机组的导线连接到蓄电电源。
其中，并联的至少2个热电发热机组设置于衣物中，且热电发电机组中的P型半导体纳米线和N型半导体纳米线的长度等于衣物的厚度，且使第一导电片和第二导电片其中之一者设置于衣物内侧，另一者设置于靠近衣物外侧。
其中，并联的至少2个热电发热机组以编织的方式植入衣物，且相邻的热电发热机组间通过织线隔离。
其中，P型半导体纳米线和N型半导体纳米线采用碲化铋基热电材料，金属纳米导电片采用铜纳米片。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种对蓄电电源进行充电的衣物，包括如前述技术方案的热电发电装置，热电发电装置组成热电发电机组并联织入衣物中。
其中，衣物为帽子、上衣或裤子中的一种或几种。
区别于现有技术，本发明的用于可穿戴设备的热电发电装置利用热电效应，使通过N型半导体和P型半导体的两端分别接触不同温度的环境，使其因热电效应而产生电流，电流经过导线存储于蓄电电源中，以为可穿戴智能设备提供电能。通过本发明，能够将热电发电装置植入衣物、帽子等日常穿着中，大面积地收集人体所散发出的热量，使收集到的电能足以提供日常的电子产品功耗。
附图说明
图1是本发明提供的一种用于可穿戴设备的热电发电装置第一实施方式中热电发热装置的结构示意图；
图2是本发明提供的一种用于可穿戴设备的热电发电装置第一实施方式中热电发热机组的结构示意图；
图3是本发明提供的一种对蓄电电源进行充电的衣物第一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
智能设备已逐步的普及到人们生活的方方面面。智能设备体积虽然较小，但其内部部件往往为高耗电器材，而其供电电源受体积限制，无法支撑智能设备较长时间的工作运转。智能设备的电源续航能力成为智能设备研究领域的重要课题。本领域的技术人员想到采用热电材料，为智能设备提供电能。热电材料是一种能实现电能与热能交互转变的材料。其优点如下：体积小，重量轻，坚固，且工作中无噪音；可回收热源并转变成电能(节约能源)，使用寿命长，易于控制。对于遥远的太空探测器来说，放射性同位素的热电发电器是唯一的供电系统。
传统热电发电机(TEG)为无机半导体块体材料，除了在航天领域的应用外，目前已有部分应用于工业废热回收领域。但是由于热电材料的低能量转换效率，目前在商业化民用领域暂无应用。现在的能量收集方式，有光电、压电、热电等领域，但是为可穿戴设备提供微能量收集的产品，在市场上仍未有切实好用的产品出现。现有的一些专利或文献中为可穿戴设备收集能量的热电技术，所使用的热电发电材料都为块体的成对P型与N型半导体组。在导热方面还需要加上刚性的陶瓷片，所以热电发电装置很难做成可以用在可穿戴设备上。
参阅图1和图2，图1是本发明提供的一种用于可穿戴设备的热电发电装置第一实施方式中热电发热装置的结构示意图，图2是本发明提供的一种用于可穿戴设备的热电发电装置第一实施方式中热电发热机组的结构示意图。该装置100包括N型半导体110、P型半导体120、导电片130和导线140。
N型半导体110和P型半导体120设置为相同长度的柱状，二者平行设置。导电片130包括第一导电片131和第二导电片132。N型半导体110和P型半导体120其中一端通过一第一导电片131连接，该第一导电片131与N型半导体110和P型半导体120垂直设置。N型半导体110和P型半导体120的另外一端分别连接一第二导电片132，两个第二导电片132通过分别通过导线140连接到蓄电电源101。
根据塞贝克效应，在两种金属组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。相应的电动势称为热电势，其方向取决于温度梯度的方向。一般规定热电势方向为：在热端电流由负流向正。对于半导体材料产生Seebeck效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。例如P型半导体，由于其热端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散；在开路情况下，就在P型半导体的两端形成空间电荷(热端有正电荷，冷端有负电荷)，同时在半导体内部出现电场；当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势。自然，N型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端(Seebeck系数为负)，相反，P型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端(Seebeck系数为正)。
在本发明中，N型半导体110和P型半导体120优选设置为纳米线。纳米线可以被定义为一种具有在横向上被限制在100纳米以下(纵向没有限制)的一维结构。典型的纳米线的纵横比在1000以上，因此通常被称为一维材料。纳米线相对于块状材料，具有更好的机械性能，且具有较良好的导电性。纳米线的制备方法可以使用多孔氧化铝模板法、聚合物膜模板法、软模板法、气相热化学还原法、激光烧灼法、电弧发、激光沉积法及外场诱导法中的一种。第一导电片131和第二导电片132均为金属纳米导电片。金属纳米导电片130通过磁场诱导沉积与P型半导体纳米线110和N型半导体纳米线120进行连接。P型半导体纳米线110和N型半导体纳米线120采用碲化铋基热电材料，金属纳米导电片130采用铜纳米片。
在本发明中，将多个热电发电装置100串联，形成热电发电机组10，即将相邻的热电发电装置100的第二导电片132相连，位于热电发电机组10的头部和尾部的两个热电发电装置100的其中一个第二导电片132通过导线连接到蓄电电源101。然后将该热电发电机组10织入衣物中，半导体纳米线的长度设置为与衣物厚度相当。将热电发电机组10穿过衣物表面，将第一导电片131和第二导电片132其中之一者设置于衣物外侧，另一者设置于衣物内侧。如将第一导电片131设置于衣物外侧，将第二导电片132设置于衣物内侧。当该衣物为用户穿上时，第一导电片131接触人体，属于热端，第二导电片132接触到外界环境，属于冷端。当半导体纳米线感应到热端和冷端的温度差时，根据热电效应产生电流。电流从P型半导体纳米线110的热端流向冷端，经第一导电片131，从N型半导体纳米线120的冷端流向热端，进入下一热电发电装置的P型半导体纳米线110。最终热电发电机组10与蓄电电源101形成电流回路。且在穿着衣物的用户运动时，散发出更多热量，使热端和冷端温差更大，从而产生更大电流，使蓄电电源101存储更多电能。
在本发明中，将多个热电发电机组10设置于衣物中，这多个热电发电机组10并联设置，每一热电发电机组10的的导线140引入一电路主线(图未示)，该电路主线连接到蓄电电源101进行充电。将多个热电发电机组10并联织入衣物中时，应在中间夹杂衣物的织线，以起到绝缘作用。
区别于现有技术，本发明的用于可穿戴设备的热电发电装置利用热电效应，使通过N型半导体和P型半导体的两端分别接触不同温度的环境，使其因热电效应而产生电流，电流经过导线存储于蓄电电源中，以为可穿戴智能设备提供电能。通过本发明，能够将热电发电装置植入衣物、帽子等日常穿着中，大面积地收集人体所散发出的热量，使收集到的电能足以提供日常的电子产品功耗。
参阅图3，图3是本发明提供的一种对蓄电电源进行充电的衣物第一实施方式的结构示意图。该衣物200包括织线210和如前一实施方式中的热电发电机组220。在本实施方式中，热电发电机组220因其内部的半导体纳米线的直径为纳米级别，连接的导电片也为纳米级别，且长度与衣物厚度相当，可通过纺织设备直接将热电发电机组220织入衣物200中。衣物200优选为毛衣类衣物。可为上衣、裤子及帽子。该热电发电机组220的厚度为纳米级，毛衣类衣物200在制作时，可用毛线和热电发电机组220交替编织，得到衣物200。经本发明技术人员有大量实验计算统计数据可知，每10dm2的热电发电机组220每一小时存储的电能可支持常规智能手机连续工作5小时以上，因此可保证耗电更少的可穿戴设备更长久时间的工作。
区别于现有技术，本发明的对蓄电电源进行充电的衣物中的热电发电机组利用热电效应，使通过N型半导体和P型半导体的两端分别接触不同温度的环境，使其因热电效应而产生电流，电流经过导线存储于蓄电电源中，以为可穿戴智能设备提供电能。通过本发明，能够大面积地收集人体所散发出的热量，使收集到的电能足以提供日常的电子产品功耗。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于可穿戴设备的热电发电装置，用于收集人体热能转换为电能以支持所述可穿戴智能设备工作，其特征在于，包括：P型和N型半导体、导电片和导线；
其中，所述导电片包括第一导电片和第二导电片，所述P型和N型半导体的一端通过第一导电片连接，另一端分别连接一第二导电片，所述第二导电片通过所述导线连接到蓄电电源的两极，所述蓄电电源用于所述可穿戴设备的供电，所述热电发电装置设置于衣物中。
2.根据权利要求1所述的热电发电装置，其特征在于，将所述电热发电装置至少2个串联，形成热电发电机组，相邻的所述热电发电装置通过所述第二导电片连接，且所述P型半导体的第二导电片连接到所述N型半导体的第二导电片位于串联的两端的所述热电发电装置的第二导电片通过所述导线连接到所述蓄电电源。
3.根据权利要求2所述的热电发电装置，其特征在于，所述P型半导体和所述N型半导体为半导体纳米线，所述第一导电片和所述第二导电片为金属纳米导电片。
4.根据权利要求3所述的热电发电装置，其特征在于，所述金属纳米导电片通过磁场诱导沉积与所述P型半导体和所述N型半导体进行连接。
5.根据权利要求2所述的热电发电装置，其特征在于，至少2个所述热电发电机组并联，所述至少2个热电发电机组的导线连接到所述蓄电电源。
6.根据权利要求5所述的热电发电装置，其特征在于，并联的至少2个热电发热机组设置于衣物中，且所述热电发电机组中的所述P型半导体纳米线和所述N型半导体纳米线的长度等于所述衣物的厚度，且使所述第一导电片和所述第二导电片其中之一者设置于所述衣物内侧，另一者设置于靠近所述衣物外侧。
7.根据权利要求6所述的热电发电装置，其特征在于，并联的至少2个热电发热机组以编织的方式植入所述衣物，且相邻的所述热电发热机组间通过织线隔离。
8.根据权利要求1所述的热电发电装置，其特征在于，所述P型半导体纳米线和所述N型半导体纳米线采用碲化铋基热电材料，所述金属纳米导电片采用铜纳米片。
9.一种对蓄电电源进行充电的衣物，包括如权利要求1-8所述的热电发电装置，其特征在于，所述热电发电装置组成热电发电机组并联织入所述衣物中。
10.根据权利要求9所述的对蓄电电源进行充电的衣物，其特征在于，所述衣物为帽子、上衣或裤子中的一种或几种。
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