CN107676651A - 一种基于塞贝克效应的自发电便携照明装置及手电筒 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于塞贝克效应的自发电便携照明装置，包括：壳体(001)，所述壳体(001)两侧表面分别设置有一开口部(002)，且两个所述开口部(002)相对设置，形成通风风道；所述壳体(001)内部设置有依次连接的发电组件(003)和升压组件(004)，所述升压组件(004)还连接LED光源(005)，所述LED光源(005)设置在所述壳体(001)靠近所述开口部(002)的端面，所述LED光源(005)外围设置有反光罩(006)。本发明的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置散热性能好，电路结构简单，能够减少装置的体积，便于携带，且能够使极小的输入电压升高到使LED光源发光的电压，效率较高。

Description

一种基于塞贝克效应的自发电便携照明装置及手电筒
技术领域
本发明灯光照明领域，具体涉及一种基于塞贝克效应的自发电便携照明装置及手电筒。
背景技术
温差能是一种新型能源。根据赛贝克效应，当线型导体的两端存在温差时，不同材质的导体会产生不同的反应：若热端电子的平均自由程更大，则电子从热端向冷端移动为主要运动，宏观上表现为从冷端向热端的电流；若冷端电子的平均自由程更大，则电子从冷端向热端移动为主要运动，宏观上表现为从热端向冷端的电流。将这两种导体连接形成闭合回路，当两个连接点之间存在温差时，即产生定向电流，从而产生温差生电动势。
在便携式照明设备的应用中，一般温差都比较小，当温差小于20K时，能够输出电压非常低，不能满足一般的照明需求；并且该电压也低于现有的升压芯片输入电压下限，此外现有升压芯片体积较大，不能满足便携式的特点,且现有升压芯片转换效率低；此外，在持续的发电过程中，设备内部的温度一般会逐渐升高，导致发电导体的两端温差减小，影响发电效率。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种发电效率高、电路结构简答、体积小的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置及手电筒。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于塞贝克效应的自发电便携照明装置，包括：壳体，所述壳体两侧表面分别设置有一开口部，且所述开口部相对设置，形成通风风道；所述壳体内部设置有依次连接的发电组件和升压组件，所述升压组件还连接LED光源，所述LED光源设置在所述壳体靠近所述开口部的端面，所述LED光源外围设置有反光罩。
进一步地，所述发电组件为两个或者两个以上，且所述发电组件间串行连接。
进一步地，所述发电组件包括：受热端面、散热端面，所述受热端面与所述散热端面之间固定有若干P型半导体、N型半导体，所述散热端面正对所述第一开口部；
所述P型半导体与所述N型半导体依次交替排列，所述P型半导体与所述N型半导体通过金属导体连接，并形成对应的电源负极、电源正极；
所述电源负极、电源正极连接所述升压组件。
进一步地，所述受热端面(104)朝向所述壳体(001)外部设置，用于采集外部热量。
进一步地，还包括散热片；所述散热端面(104)朝向所述壳体(001)内部设置且使用导电胶脂连接所述散热片，所述散热片靠近所述开口部(002)。
进一步地，所述升压组件包括共模电感、NMOS管、升压电阻、二极管；所述电源正极连接第一电感一端、升压电阻一端；所述升压电阻另一端连接第二电感一端，所述第二电感另一端连接所述NMOS管G极，所述NMOS管S极连接所述电源负极，所述NMOS管D极连接所述第一电感另一端、所述二极管正极，所述二极管负极连接所述LED光源。
进一步地，所述NMOS管等效电容为1-30pF。
进一步地，所述共模电感的感抗为10-100mH。
进一步地，所述升压电阻的阻值为10-50KΩ。
本发明同时提供一种手电筒，包括本发明的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置。
1、本发明的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置，通过设置用于通风的开口部，有利于快速散热。
2、本发明的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置，发电组件与升压组件电路结构简单，能够减少装置的体积，便于携带。
3、本发明的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置，利用共模电感的负反馈效应与MOS管栅极的电容效应实现升压，能够使极小的输入电压升高到使LED光源发光的电压，且效率较高。
附图说明
图1为本发明实施例的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置结构图；
图2为本发明实施例的发电组件结构示意图；
图3为温差-温生电动势函数关系图；
图4为输出电压-负载等效电阻函数关系图；
图5为输出电流-负载等效电阻函数关系图；
图6为本发明实施例的升压组件电路原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例一
图1为本发明实施例的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置结构图，包括：壳体001，所述壳体001两侧表面分别设置有一开口部002，且所述开口部002相对设置，形成通风风道；所述壳体001内部设置有依次连接的发电组件003和升压组件004，所述升压组件004还连接LED光源005，所述LED光源005设置在所述壳体001靠近所述开口部002的端面，所述LED光源005外围设置有反光罩006。
在具体设计及实施中，假设LED光源侧为顶端，另一侧为底端，发电组件003、升压组件004、LED光源005依次从低端向顶端设置，发电组件003正对的两面均具有开口，用于热源能够快速的传递到发电组件003上，为了达到快速疏散壳体内部累积的热量，以便产生更大的温度差，在升压组件004两侧设置相对设置的开口部002。使用中，用户手握发电组件003处设置的开口，手掌产生的热量通过该开口传递到发电组件003，发电组件003内外两侧产生温差发电，并经过升压组件004产生能够激发LED发光的电压，产生光源进行照明，此时由于手掌的热量不断进入壳体中，壳体内的温度在一定时间持续增加，这会直接影响发电效率，因此利用在升压组件004两侧设置相对设置的开口部002，且两开口部形成风道将壳体内部热量从风道散出壳体。为了加快散热效率，本发明采用人体工学设计，用户在行走状态下手握本发明的装置，当用户行走中手臂正常摆动时，开口部002正好正对气流方向，热量快速通过该通道散热。并且将开口部002设置在于发电组件003开口不同的空间平面中，能够使接收热量的开口和散发热量的开口相互独立，不产生影响，即，收集热量的开口尽可能不散热，散发热量的开口尽可能不收集热量。例如大风天气时，如果接收热量的开口和散发热量的开口没有相互独立设置，就会导致由于刮风导致不能产生足够的温度差，影响后续发电。
本发明的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置，通过设置用于通风的开口部，有利于快速散热。设有反光罩以集中光能，增加光照强度。
所述发电组件003为两个或者两个以上，且所述发电组件间串行连接。
在一个具体实施方式中，参看图2，所述发电组件003包括：受热端面104、散热端面105，所述受热端面104与所述散热端面105之间固定有若干P型半导体101、N型半导体102，所述散热端面105正对所述第一开口部002；
所述P型半导体101与所述N型半导体102依次交替排列，所述P型半导体101与所述N型半导体102通过金属导体103连接，并形成对应的电源负极105、电源正极106；
所述电源负极105、电源正极106连接所述升压组件004。
在一个具体实施方式中，还包括散热片；所述散热端面104朝向所述壳体001内部设置且使用导电胶脂连接所述散热片，所述散热片靠近所述开口部002。如上所示，散热片靠近开口部使得热量能够及时的散发到壳体外部，避免壳体内温差太低，影响工作。
在实施时，散热面使用导热硅脂与散热片连接，通过导热硅脂的热量从第一开口部通风口散出，以保证散热面的散热状况良好，防止发电组件自身导热使得发电效率降低。本发明的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置，发电组件与升压组件电路结构简单，能够减少装置的体积，便于携带。
为了能够使本发明的装置应用在低温差、可便携的应用环境中，本发明从设计原理出发，进行了多次试验，具体如下：
采用恒温差装置作为实验环境，根据水的比热容较大的特点，使用水泵抽水(两端分别为特定温度的热水与冷水)以保持半导体温差发电片两端基本保持恒定温差。根据实验数据，绘制温差、温差生电动势关系，如图3所示，该图表明了温差与产生的电动势之间的关系，温差越大产生的电动势越大。图4所示为输出电压-负载等效电阻函数关系图，在温度一定的情况下，负载等效电阻阻值越大，输出电压越高。图5所示为输出电流-负载等效电阻函数关系图，与图4正好相反。
由图3-图5可知，要想提高输出电压，只能增大温差，现有的很多大型应用场景中，例如通过冷却设备能够使温差达到较大的水平，从而产生较大的电动势带动负载工作。然而本发明的应用场景中，一般的温差在15-30K之间，很显然现有的装置无法应用在本发明的场景中。
由于温差发电片的内阻约为0.5Ω～5Ω，根据以上结论，外部等效电阻约为0.5Ω～5Ω时有最大输出功率。根据上图3-图5，在小于20K的温差下，输出电压小于0.6V，因此需要针对本发明设置特定的升压电路。
在一个具体实施方式中，参看图6，所述升压组件004包括共模电感L1、L2、NMOS管T1、升压电阻R1、二极管D1；所述电源正极106连接第一电感L1一端、升压电阻R1一端；所述升压电阻R1另一端连接第二电感L2一端，所述第二电感L2另一端连接所述NMOS管T1G极，所述NMOS管T1S极连接所述电源负极105，所述NMOS管T1D极连接所述第一电感L1另一端、所述二极管D1正极，所述二极管D1负极连接所述LED光源。
升压单元设计中，具有升压线路与反馈线路两部分。升压线路根据电感-开关串联模型，当开关由闭合状态变为断开状态，电感会产生与电源反向的电动势以阻止电流突变，此时电感与开关连接点的电势大于电源正极电势，电源正极电势高于负极电势，从而电感与开关的连接点和负极之间的电压远大于电源正负极间的电压，从而达到升压的效果。
在该升压组件工作时，升压线路电阻近似为无穷大，电荷通过反馈线路L2，在NMOS管的栅极(G极)聚集，达到一定电量后，NMOS管的源极(S极)与漏极(D极)导通，升压线路电阻趋近于0，产生较大电流。升压线路的电流通过负反馈效应，在反馈线路中产生逆向电流，正电荷从G极流出，S极与D极断开，由于升压线路的电感阻止电流发生突变，产生反向感生电动势，使得输出电压高于输入电压。
优选的，所述NMOS管等效电容为1-30pF。
优选的，所述共模电感的感抗为10-100mH。
优选的，所述升压电阻的阻值为50KΩ。
NMOS管栅极有一定电容效应，与共模电感的共同构成类LC振荡电路，从而具有一定的固有振荡频率。根据LC振荡电路振荡周期公式：
式中：T为LC震荡电路的振荡周期，L为电感，C为电容。
以共模电感L＝30mH，场效应管等效电容C＝3pF带入，求得其周期T≈18.85ms，因此其导通频率f＝1/T＝17Hz。根据共模电感的负反馈效应，栅极极板电荷反向流出，断开源极与漏极。断开的一瞬间，共模电感产生电感效应，使得输出端(OUTPUT)电压远高于发电片输出电压，以此点亮外部设备LED。此后栅极再次开始累积电量，往复循环。而正常情况下人眼能知觉到的单一色块闪烁的频率一般在十几二十赫兹，本发明的方案满足应用需求。本发明的电路由于采用共模电感与场效应管进行搭配，在小于20K的温差下，输出电压小于0.6V时，其转换效率为20％-60％，且随输入电压的增高而升高。
本发明的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置，利用共模电感的负反馈效应与MOS管栅极的电容效应实现升压，能够使极小的输入电压升高到使LED光源发光的电压，且效率较高。
本发明同时提供一种手电筒，包括本发明的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于塞贝克效应的自发电便携照明装置，其特征在于，包括：壳体(001)，所述壳体(001)两侧表面分别设置有一开口部(002)，且两个所述开口部(002)相对设置，形成通风风道；所述壳体(001)内部设置有依次连接的发电组件(003)和升压组件(004)，所述升压组件(004)还连接LED光源(005)，所述LED光源(005)设置在所述壳体(001)靠近所述开口部(002)的端面，所述LED光源(005)外围设置有反光罩(006)。
2.根据权利要求1所述的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置，其特征在于，所述发电组件(003)为两个或者两个以上，且所述发电组件间串行连接。
3.根据权利要求1所述的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置，其特征在于，所述发电组件(003)包括：受热端面(104)、散热端面(105)，所述受热端面(104)与所述散热端面(105)之间固定有若干P型半导体(101)和N型半导体(102)，所述散热端面(105)正对所述第一开口部(002)；
所述P型半导体(101)与所述N型半导体(102)依次交替排列，所述P型半导体(101)与所述N型半导体(102)通过金属导体(103)连接，并形成对应的电源负极(105)、电源正极(106)；
所述电源负极(105)、电源正极(106)连接所述升压组件(004)。
4.根据权利要求3所述的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置，其特征在于，所述受热端面(104)朝向所述壳体(001)外部设置，用于采集外部热量。
5.根据权利要求4所述的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置，其特征在于，还包括散热片；所述散热端面(104)朝向所述壳体(001)内部设置且使用导电胶脂连接所述散热片，所述散热片靠近所述开口部(002)。
6.根据权利要求3所述的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置，其特征在于，所述升压组件(004)包括共模电感(L1、L2)、NMOS管(T1)、升压电阻(R1)、二极管(D1)；所述电源正极(106)连接第一电感(L1)一端、升压电阻(R1)一端；所述升压电阻(R1)另一端连接第二电感(L2)一端，所述第二电感(L2)另一端连接所述NMOS管(T1)G极，所述NMOS管(T1)S极连接所述电源负极(105)，所述NMOS管(T1)D极分别连接所述第一电感(L1)另一端和所述二极管(D1)正极，所述二极管(D1)负极连接所述LED光源。
7.根据权利要求6任一项所述的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置，其特征在于，所述NMOS管(T1)等效电容为1-30pF。
8.根据权利要求6任一项所述的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置，其特征在于，所述共模电感(L1、L2)的感抗为10-100mH。
9.根据权利要求6任一项所述的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置，其特征在于，所述升压电阻(R1)的阻值为10-50KΩ。
10.一种手电筒，其特征在于，包括根据权利要求1-9任一项所述的基于塞贝克效应的自发电便携照明装置。
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