CN106206923A - 一种柔性穿戴式温差发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性穿戴式温差发电装置，包括：上层基板、下层基板、铜箔、上层纺织层、下层纺织层、隔热层、P型及N型半导体粒子、导线；温差发电装置从上到下依次是上层基板、上层纺织层、隔热层、下层纺织层、下层基板，偶数对P型和N型半导体粒子穿过上层纺织层、隔热层、下层纺织层对应焊接在上、下层基板上等间距固定的铜箔上，半导体粒子之间由连接在上层铜箔之间的导线连接，形成半导体模组，相应地，半导体模组之间由连接在下层铜箔之间的导线连接，第一片焊接N型半导体粒子的铜箔和最后一片焊接P型半导体粒子的铜箔用导线引出。本装置能够结合衣服稳定可靠、高转换效率的利用人体自然散发的热量发电给低功耗的无线传感器。

Description

一种柔性穿戴式温差发电装置
技术领域
本发明涉及温差发电技术领域，具体涉及一种人体监测无线传感器供电的柔性穿戴式发电设备。
背景技术
近年来，由于化石能源日趋枯竭，人类面临的能源形势日益严峻，同时，资源的过度开发以及随之而来的环境恶化已经不止一次给人类敲响了警钟，给人类文明的可持续发展带来了严重的威胁。面对严峻的能源和环境危机，许多国家都开展了“绿色能源"(包括太阳能、风电、地热能，潮汐能等)方面的研究，并取得了可观的成就。目前“绿色能源"在全球能源结构中的比重约为15-20％，长期以来形成的石油、煤炭和天然气等化石能源占主体地位的现象在将来有望得到改观。
无线传感器网络是一项颇具影响力的新兴技术，目前正在向着无所不在的信息获取技术方向迈进，在国防安全、工农业领域各种控制、环境监测、危险区域远程控制等众多领域都体现了重要的实用价值，具有十分广阔的应用前景。
能量问题是制约无线传感器网络应用的重要因素，将无线传感器部署到一些人力难以或不宜到达的地域进行信息采集，具有非常重要的实际意义。由于目前传感器通常采用电池供电，而电池电量十分有限，人为更换电池会带来额外的开销，甚至带来危险，而一旦电池电量用尽，无线传感器网络将无法正常工作，造成资源的浪费。
此外，将用于健康护理、慢性病以及身体特征监视等方面的无线传感器集成到衣服实现穿戴式计算是目前非常重要的发展方向。现有的穿戴式设备硬件尺寸大小已经可以满足穿戴式计算的需要；而系统供能方面依然庞大，笨重，不方便携带，这种情况下可以考虑利用人体散发的热能为这一类的微功耗传感器供电。要实现上述环境能量和人体热能为无线传感器网络以及穿戴式设备供电的目标，温差发电技术是一个非常合适的选择。
CN204614820U公开的专利提出了一种柔性薄膜温差发电装置，该装置的P型和N型半导体热电偶是柔性的，但在其热面板和冷面板依旧是硬性基板，不便于结合衣服用来收集人体温差能量。CN102664562A所公开的柔性基座的温差发电装置主要是用于收集汽车尾气，其热端面板固连一个弹簧柔性基座可以大大增加安装和扩展的便利性，但是其温差发电片并不是柔性的，所以也难以构成人体穿戴式俘能系统。CN104410331A公开的柔性自支撑型的温差发电结构已经非常接近穿戴式集成的需要，但是由于连接P型和N型半导体的导线不具有伸缩性，导致在弯曲温差发电装置时，极易造成导线断裂。CN204068767U公布的穿戴式温差发电装置将温差发电片与衣服结合，由于与人体接触的部分为硬性的温差发电片的热端的陶瓷导热片，一方面由于人体并不是平整的结构，不便于接触；另一方面由于人体温差本来就不是特别大，陶瓷导热会导致热能收集效果不明显。CN203871377U与CN104410331A类似比较适合穿戴式集成，但是热端面板和冷端面板上连接P型和N型半导体热电偶的铜箔和导线一样，极易导致在弯曲温差发电装置时断裂。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种柔性穿戴式温差发电装置，能够解决现阶段各穿戴式柔性温差发电装置的不足，可以结合衣服高转换效率、稳定可靠的利用人体自然散发的热量发电给低功耗的无线传感器。
一种柔性穿戴式温差发电装置，包括：上层基板、下层基板、铜箔、上层纺织层、下层纺织层、隔热层、P型半导体粒子、N型半导体粒子、柔性导线。
所述铜箔等间距固定在上、下层基板上，且上、下层基板上的铜箔数量相同；所述温差发电装置为多层结构，从上到下依次是上层基板、上层纺织层、隔热层、下层纺织层、下层基板，偶数对P型半导体粒子和N型半导体粒子穿过上层纺织层、隔热层、下层纺织层对应焊接在上、下层基板上的铜箔上。
所述P型半导体粒子和N型半导体粒子由连接在上层铜箔之间的柔性导线连接，形成半导体模组，上层铜箔与连接在上层铜箔之间的柔性导线组成上层铜箔导线层，相应地，半导体模组之间由连接在下层铜箔之间的柔性导线连接，下层铜箔与连接在下层铜箔之间的柔性导线组成下层铜箔导线层，第一片焊接N型半导体粒子的铜箔和最后一片焊接P型半导体粒子的铜箔用导线引出，形成正负极。
进一步地，所述基板的材料是柔性导热硅胶垫。
进一步地，所述铜箔表面形状与半导体粒子的表面形状一致。
进一步地，所述纺织层的材料是柔性可伸缩纺织品。
进一步地，所述柔性导线是柔性正弦形式导线。
进一步地，所述隔热层为蜂窝状隔热棉。
有益效果：
1、铜箔用于焊接，柔性正弦形式导线，在弯曲时可以提供很好的伸缩延展性，不会导致因为弯曲而使焊点脱落或是导线断开。
2、基板是柔性的导热硅胶垫，具有高度柔性，可以很好的贴合人体表面，对人体无毒副作用，安全舒适。导热硅胶垫的高导热型，比一般的陶瓷、铝基板的温差发电片导热性更好，可以高效快速的将人体散发的热量收集到柔性温差发电片的热端。
3、定制的蜂窝状隔热棉很好的隔绝人体热量散失和减小冷热交换，大大提高能量转换效率。
4、柔性可伸缩纺织层既能为导线提供支撑，也能减小因长期弯曲发电片时导线磨损。
附图说明
图1为本发明整体结构爆炸图；
图2为本发明下层铜箔导线层俯视图；
图3为本发明柔性可伸缩纺织层示意图；
图4为本发明柔性可伸缩纺织层、铜箔导线层以及温差发电半导体模组层的结构示意图；
图5为本发明温差发电片隔热层示意图；
图6为本发明上层铜箔导线层示意图；
图7为本发明铜箔和导线连接方式示意图；
图8为本发明剖面示意图。
其中，1-上层基板，2-上层铜箔，3-上层纺织层，4-隔热层，5-半导体粒子，6-下层纺织层，7-下层铜箔，8-下层基板，9-铜箔，10-柔性导线。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种柔性穿戴式温差发电装置，包括：上层基板1、下层基板8、铜箔9、上层纺织层3、下层纺织层6、隔热层4、P型半导体粒子、N型半导体粒子、柔性导线10。所述纺织层的材料是柔性可伸缩纺织品，在固定导线的同时，可以保证温差发电片可以弯曲拉伸，真正具有柔性。所述基板的材料是柔性导热硅胶垫，柔性导热硅胶垫具有良好的导热能力和高等级的耐压绝缘，是取代导热硅脂的替代产品，其材料本身具有一定的柔韧性，很好的贴合功率器件与散热铝片或机器外壳间，从而达到最好的导热及散热目的，再加上其对人体皮肤完全无害，因此，特别适合人体穿戴式要求。
如图1、图8所示，铜箔9等间距固定在上层基板1和下层基板8上，且上层基板1和下层基板8上的铜箔9数量相同；所述温差发电装置从上到下依次是上层基板1、上层纺织层3、隔热层4、下层纺织层6、下层基板8，4×4片P型半导体粒子和N型半导体粒子穿过上层纺织层3、隔热层4、下层纺织层6对应焊接在上下层基板上的铜箔9上。所述铜箔9表面形状与半导体粒子5的表面形状一致。
如图6所示，P型半导体粒子和N型半导体粒子由连接在上层铜箔2之间的柔性导线10连接，形成半导体模组，上层铜箔2与连接在上层铜箔2之间的柔性导线10组成上层铜箔导线层，相应地，如图2所示，半导体模组之间由连接在下层铜箔7之间的柔性导线10连接，下层铜箔7与连接在下层铜箔7之间的柔性导线10组成下层铜箔导线层，由铜箔9之间的柔性导线10连接方式选择半导体模组的串并联方式。第一片焊接N型半导体粒子的铜箔9和最后一片焊接P型半导体粒子的铜箔9用导线引出，实现串联连接形成正负极，如图4所示。
如图5所示，所述隔热层4为蜂窝状隔热棉，上面按照半导体模组的排列分布有4×4个通孔，包裹着P型半导体粒子和N型半导体粒子，减小温差发电片热端与冷端之间的热交换以及人体热能的散失，提高温差发电的效率。
如图7所示，所述柔性导线10是柔性正弦形式导线，这种形式的导线特别适合柔性穿戴式的要求，在弯曲拉伸温差发电片时，可以很好的保证导线与铜箔之间不会由于张力而断裂，真正使温差发电片具有柔性的特性，大大方便了发电片与衣服之间的结合。可以用中间被绝缘层包裹、两端裸露的导线，两端直接压制成铜箔形成如图7所示结构，或者用焊料将柔性导线10与铜箔9焊接，具体连接方式不构成本发明的限定。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种柔性穿戴式温差发电装置，其特征在于，包括：上层基板、下层基板、铜箔、上层纺织层、下层纺织层、隔热层、P型半导体粒子、N型半导体粒子、柔性导线；
所述铜箔等间距固定在上、下层基板上，且上、下层基板上的铜箔数量相同；所述温差发电装置从上到下依次是上层基板、上层纺织层、隔热层、下层纺织层、下层基板，偶数对P型半导体粒子和N型半导体粒子穿过上层纺织层、隔热层、下层纺织层对应焊接在上、下层基板上的铜箔上；
所述P型半导体粒子和N型半导体粒子由连接在上层铜箔之间的柔性导线连接，形成半导体模组，相应地，半导体模组之间由连接在下层铜箔之间的柔性导线连接，第一片焊接N型半导体粒子的铜箔和最后一片焊接P型半导体粒子的铜箔用导线引出，形成正负极。
2.如权利要求1所述的柔性穿戴式温差发电装置，其特征在于，所述基板的材料是柔性导热硅胶垫。
3.如权利要求1所述的柔性穿戴式温差发电装置，其特征在于，所述铜箔表面形状与半导体粒子的表面形状一致。
4.如权利要求1所述的柔性穿戴式温差发电装置，其特征在于，所述纺织层的材料是柔性可伸缩纺织品。
5.如权利要求1所述的柔性穿戴式温差发电装置，其特征在于，所述柔性导线是柔性正弦形式导线。
6.如权利要求1所述的柔性穿戴式温差发电装置，其特征在于，所述隔热层为蜂窝状隔热棉。
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