人體熱能發電研究

楊立波+王延寧

摘 要：溫差發電技術能將熱能直接轉化為電能，具有清潔、安全、無運動部件的優點，人體體表熱量收集的剛性溫差發電器，存在著器件可靠性差、制造成本高、柔性穿戴式濕差發電器的輸出功率較低，無法滿足穿戴式電子設備供電需求，嚴重制約了穿戴式溫差發電器的應用。基于人體熱能發電的優缺點世界各國科研人員從不同角度展開了深入研究。

關鍵詞：人體熱能發電 溫差發電機 發電特性

中圖分類號：TM619 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）09（a）-0027-02

1 微墊溫差發電器

溫差發電器是能將人體熱能直接轉換成電能的發電裝置，穿戴式電子設備供電口溫差發電器的工作原理是基于塞貝克效應，將兩種不同的導體或半導體材料構成閉合回路，當兩個接點溫度不同時，將熱能轉變為電能的一種現象。溫差發電具有5個優點：（1）無機械運動部件；（2）溫差存在時，能將熱能轉化為電能；（3）體積小，便于攜帶；（4）性能穩定，壽命長；（5）安全無污染。目前，國內外已針對微型溫差發電器的結構設計與制造，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電器，制造工藝為：在紡織層上打孔，孔內沉積P型和N型納米熱電漿料，并涂覆銀膏作為導電層。實驗表明，在溫差為5～35 K時，最大輸出電壓達到l0 mV，而且經100次彎曲和扭轉，溫差發電器的輸出性能基本不發生改變，該紡織型溫差發電器結構為穿戴式電子設備提供了新的供電方案。

2 微型溫差發電器結構改進研究

2008年，美國的Bell指出，為拓展溫差發電器的應用，大多數研究均集中在如何制備得到較高ZT值的熱電材料方面，而對于溫差發電器的結構設計和應用方面的研究比較少見。但是，拓展溫差發電器的應用，不僅需要提高熱電材料性能，結構設計和制備工藝優化也值得重點研究。近年來，研究者們設計并制造了各種各樣的微型溫差發電器，通過結構和制造工藝的優化來提高器件的熱電性能。按照熱電臂的結構類型和熱流傳遞方向，將微型溫差發電器的結構形式分為3類：薄膜、水平型；薄膜、垂直型；塊體、垂直型3種溫差發電器。

2.1 薄膜、水平型溫差發電器

薄膜、水平型溫差發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生溫差發電。熱電臂一般采用磁控濺射、物理、化學沉積、絲網印刷等工藝加工成熱電薄膜，從微加工技術上來看是比較成熟的。溫差發電器結構通常為剛性，具有體積小、熱阻大、電阻大的特點。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。

2010年，JinXie等人提出一種橋架式的平面型溫差發電器結構設計，通過沉積磷和硼重摻雜的多晶硅熱電薄膜和電連接層形成熱電硅，為了優化熱通量，熱電薄膜嵌入真空腔中。溫差發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，同時能增強熱電臂冷端散熱，有效地提高了熱電臂的冷熱端溫差。該溫差發電器所占區域為1 cm2，當溫差為5 K時，輸出開路電壓達到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，熱電樹料為有機聚合物PP-PEDOT漿料。該柔性溫差發電器能任意彎曲、祖轉、剪巧，當指尖觸碰溫差發電器的一端時，輸出電壓達到590 μV有機聚合物型溫差發電器具有良好的柔性，但缺點是熱電性能較差。

2.2 薄膜、垂直型溫差發電器

將薄膜、水平型溫差發電器中的熱電薄膜直立，就能得到薄膜、垂直型溫差發電器。通過基底的結構設計將加工的熱電薄膜呈一定角度直立，一般采用氣相沉積、絲網印刷、磁控濺射等工藝制備，微加工技術比較困難。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，但內阻過大也導致輸出功率受到限制。

2011年，WeiW等人設計了一巧層疊形式的溫差發電結構，通過電化學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，熱電薄膜串聯形成陣列。將制造的熱電陣列層通過基底結合，并將相鄰兩層的引出端進行電連接，形成層疊形式的溫差發電器。該結構將熱電臂直立，能有效保持住熱電臂冷熱端的溫差。在溫差為20 K時，該溫差發電器的開路電壓為630 mV，內阻為3.8 kΩ，最大輸出功率為37.35 μW。

2013年，L.Francioso等人設計并制造了一種新型的波浪型溫差發電器，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，構成了一種柔性溫差發電器。采用上述工藝制造100組熱電對，溫差為40 K時，最大輸出功率為32 nW。

2.3 塊體、垂直型溫差發電器

塊體、垂直型溫差發電器中的熱電臂通常被加工成圓柱體或立方體，通過銀、銅導線進行串聯或并聯，熱電臂的連接形式一般為熱路并聯，電路串聯，每一組熱電對兩端的溫差一致，通過簡單串聯就可提升輸出電壓。塊體、垂直型溫差發電器的熱阻較小，體積較大，但具有極低的內阻，因此可產生較大的輸出功率。

2014年，M.K.Kim等人設計并制造了一種新型網狀結構的柔性溫差發電器，可進行人體穿戴。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，并通過銀導線進行電連接，形成一種網狀結構的柔性溫差發電器。該溫差發電器面積為6 mm×25 mm，包含了12組熱電對。當溫差為15 K時，輸出功達到224 nW。

2014年，SimJinKim等人設計并制造了一種基于玻璃紡織物的穿戴式溫差發電器。采用玻璃紡織物作為熱電材料的支撐層，相比傳統的溫差發電器結構，去除了陶瓷基底，大大降低了熱源與熱電臂之間的熱阻，器件輕且薄（厚度僅為500 μm，重量0.13 g/cm2），具有高度柔性，適宜人體表面穿戴。當溫差為50 K時，此溫差發電器的功率密度達到3.8 mW/cm2。當彎曲半徑小于20 mm，反復彎曲120次后，熱電性能依然保持良好。通過以上工藝制備了11個熱電對的額帶結構，貼合人體皮膚進行發電。當環境溫度為15 ℃時，能穩定輸出2.9 mV開路電壓。

3 結語

隨著穿戴式電子市場的迅猛發展，微型化、柔性、持久供電方式已成為制約穿戴式電子設備技術發展的重要瓶頸。溫差發電器作為一種清潔、安全、持久供電的供能方式，受到國內外的廣泛關注。目前用于人體熱量回收的溫差發電器存在輸出功率低、器件機械性能差、制造成本高等問題。針對以上問題進行深入研究，將是人體熱能發電研究的主要方向。

參考文獻

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