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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