手心里的小太阳--靠体热供电的手电筒

2019-02-03 09:35:44 来源:EEFOCUS
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本项目的目标是制作一个仅需人手的热量下就能运行的手电筒。使用两个珀耳帖贴片感知手掌与周围空气之间的温差,设计了一个手电筒,可以提供明亮的光线,无需电池或移动部件。该设计符合人体工程学,热力学效率高,只需5℃的温差即可工作,可产生5烛光的亮度。

 

摘要

当我发现人体其实是一个“行走的100瓦灯泡”时,我选择研究人体能量,我发现可以制作一个完全由人手的热量驱动的手电筒,于是我决定使用两个珀耳帖贴片,珀耳帖贴片的工作原理是使用温差来进行发电,基于这个原理,我的手电筒用手掌作为热源,散热器作为冷源,这样我的手电筒就有了电源。

 

人体的辐射功率大约在5.7 mW / cm2,而0.5 mW的功率就可以使LED发出很亮的光。我重新设计了两个珀耳帖贴片,两者都产生了能量,但只有几毫伏。由于驱动LED需要2.5 V,所以我将直流输入转换为交流电,然后通过交流输入带升压变压器的振荡器电路中获得升压。最终电路只有3个部件,产生的升压比为100:1。因此,珀耳帖贴片的50 mV的直流转换成了5V交流电,这足以点亮LED。最终的设计是把一个珀耳帖贴片安装在中空的矩形铝管上,用丙烯酸板包裹在空心铝矩形板上,留出一个小窗口,使环境空气冷却珀耳帖贴片。另一个珀耳帖贴片缠绕在手掌上,用体温加热珀耳帖贴片,最终实现了在5℃温差下点亮手电筒。

 

 

具体设计过程

提出假设:如果我能从人手中捕获足够的热量并将其有效转换为电能,那么我可以在没有任何电池或动能的情况下为手电筒供电。

 

项目目的:制作一个使用人手温度供电的手电筒。   

 

组件素材:

 

 

前期调研:有个网站致力于研究低压晶体管振荡器电路,另外我在网上找到一篇名为“用于无电池无线传感器的超低电压能量收集器”的论文,这使我坚信我的这个热电手电筒是可以实现的。

 

理论计算

首先我需要计算我通常拿着手电筒的手掌中单位面积散发的热量,经过我的调查发现,人体平均每小时耗散约350,000焦耳的热量,即97瓦特,人体皮肤的平均表面积为1.7平方米,因此手掌散热等于(97/17000)* 1000 = 5.7mW / cm2

 

这里我算手掌面积约为10cm2,这意味着手掌可以提供57 mW的能量。

 

珀耳帖贴片的热效率约为10%,所以我么可以在手掌中产生5.7mW的功率。而我通过测试一批新的LED,发现功率至少达到0.5 mW才能获得可用的LED亮度,接下来进行下一步手电筒的物理测量和设计。

 

测试珀耳帖贴片

获得两套便宜,尺寸相同的珀耳帖贴片。两块珀耳帖贴片的面积都是40mm2,接下来要测出珀耳帖贴片单位面积产生的功率。

 

为此,我将每个珀耳帖贴片贴在矩形铝管上,一侧用冰袋冷却,另一侧用连接到可变电源12V的灯泡加热,然后测量珀耳帖贴片两个侧面之间的温差。两个珀耳帖贴片都能产生足够的功率来点亮LED,但如果仅用手掌提供热源,产生的电压只有只有50和73 mV,现在我需要2500 mV来点亮手电筒的LED。

 

提升电压

直流电压不能直接升压,但如果直流电压变为交流电压,则可以用变压器升压,所以我只需构建一个带升压变压器的简单振荡器电路即可。为此,我构建了一个带有场效应晶体管的反馈振荡器,并将变压器缠绕在一起,升压比为5:125。振荡器工作,但是珀耳帖贴片的电压为120 mV时LED才亮,而我需要在50 mV(在5°C温差下产生的电压)时点亮。

 

上网搜索,发现了一篇关于能量收集的文章使用了功率转换集成电路LTC3108。该电路的FET可以在低至20mV的电压下振荡,当与推荐的变压器一起使用时,IC可以提供超过2.5V的交流电压。因此,现在我的电路只有4个元件:IC、升压变压器、47μF电容和LED。将LED连接至变压器的输出,我能够获得良好的LED亮度,振荡器上只有50 mV的直流输入。接下来我发现使用单极性升压电路转换器也可以获得相同结果。

 

手电筒物理外观设计

手电筒尺寸为2.75厘米,宽4.50厘米,长17.1厘米。将珀耳帖贴片安装在铝矩形管两侧40mm的铣削区域上,通过空气绝缘。手通过丙烯酸板盖上的开口夹住珀耳帖贴片。流过铝管的空气冷却了手电筒。电路安装在前面,LED在管的中间居中。我制作了两个手电筒,F1有2个40mm珀耳帖贴片,F2有4个40mm珀耳帖贴片,均做成前照灯形式。

 

 

结论

我的实验结果证明了之前的假设,即使有热和电压转换损失,手掌仍能提供足够的功率来点亮LED。LED的实际功率很难准确测量,因为它是一个40 kHz的不规则方波,所以我用一个测光表和一个外部白色LED(连接到直流电源)进行了比较测量,外部白色LED和我在电路中使用的LED是同一种,均来自Digikey。用测光表将外部白色LED亮度调节至和我设计的手电筒的LED一致,测量外部白色LED的直流功率,得到的功率基本就是手电筒LED的功率。

 

对于F1手电筒,我计算出LED的理论功率约为1.5 mW,当我用上述比较测量方法测量时,和我的预测结果非常接近,测得功率为1.4 mW。F2的理论功率应该在4.5 mW左右,但我测得的功率为5.4 mW。计算出的理论功率和实际功率的误差在20%之内,结果比较理想。

 

使用Spectra光度计进行的测量表明,两个手电筒都能产生良好的光线。

 

手电筒F1在温差5℃时产生5烛光,在10℃温差下产生10烛光。

 

报告

总之,我成功地仅使用手的热量为手电筒供电,这两个手电筒不使用任何电池,有毒化学品或动能供电,它们不会产生任何噪音或振动,并且始终有效,手电筒唯一的限制是需要至少5°C的温差才能点亮LED。

 

在我的项目开始时,我对我的项目成功感到不确定,但我没想到的是手电筒的最终亮度高达5烛光,我对我的结果很满意,未来还可以继续改进设计。

 

在未来,我希望致力于提高转换器的效率,增加手电筒的亮度,并且可能使用这项技术为无线医疗传感器供电。我的电路和设计在未来有着极高的可用性,例如,想象拿着你的手机,同时只需要用手的热量就可以充电,或者教室里的所有学校椅子都有珀耳帖贴片,我可以用我的方法收获热量并将其放大到电力系统中。

 

在我的实验中,我的数据来源和计算中有几个常见错误。例如,手掌温度和总皮肤表面积在个体之间变化很大。皮肤面积从1.6平方米到2平方米不等。另一个值得怀疑的数字是珀耳帖贴片的热电压转换效率,这是热力学中的复杂问题,取决于珀耳帖贴片、接触区域和散热片的导热性能,并且通常不在制造商规格中给出。斯坦福大学的一篇文章和一本在线百科全书获得了10%的相同效率数字。我所做的电压,电流和温度测量是在Fluke仪表上完成的,具有更精确的精度,从0.01%到0.1%不等。

 

本文源自Hackaday.io,原文可打开链接查看:https://hackaday.io/project/158857-body-heat-powered-flashlight

 

演示视频:https://youtu.be/PQtO65tPl7k

 

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