发电性能人体温差研究及可穿戴设备应用

摘要：针对可穿戴电子设备存在电池体积大、质量重等问题，本文基于塞贝克效应的热电转换原理，设计了一套体积小、质量轻的供电装置。对不同型号温差发电模块进行特定工况下的性能测试实验，并对工况传热过程进行Fluent数值模拟，科学地验证了实验数据的准确性，总结出散热片优化的必要性。研究结果表明，该装置可利用人体与环境间温差，实现温差发电，并为可穿戴设备供电，对装置进行散热优化，进一步提高发电量。此外，通过对实验和数值模拟的分析，设计一款基于微型热管散热的智能手表发电装置，并在结构上对装置冷端进行传热优化设计，其最终输出功率可达0.3 W。该研究证明了温差发电模块应用于可穿戴领域的可行性。

关键词：Fluent数值模拟供电装置可穿戴设备温差发电模块网络与信息

随着网络与信息的交互发展，可穿戴电子设备凭借其诸多便捷实用的功能逐渐应用到人类生活的各个领域[1,2,3,4]。为满足可穿戴电子设备功能的需要，设备对供电装置的性能提出了更高的要求，而传统电池供电方式会带来电池体积增大、质量增重等问题[5,6,7]。因此，需要一种新的供电方式来更好地解决设备供电装置的持续供能问题。FANG Y等人[8]提出一种借助细胞布绒纺织物来收集太阳能和人体机械能的装置，该装置在光照条件下即可为可穿戴电子设备供电；付琨[9]基于摩擦纳米发电机制备了一种可穿戴智能传感纤维，将震动产生的机械能转化为电能，进而实现可穿戴自供电；翁磊[10]设计了一套能量采集装置，收集人体运动时足底摩擦起电。以上设计均为可穿戴设备供电，但受光照条件限制和佩戴者活跃度的影响，发电特性不稳定。可穿戴电子设备一般贴附于温度稳定的人体皮肤，因此可利用人体温度与环境温度间的温差实现发电，该供电方式的主要原理为塞贝克效应，即将两金属两端紧密连接成环状，保持连接处温度不同，则回路会产生温差电动势[11,12]。综上所述，利用塞贝克效应可将人体热能转化为电能[13,14],基于此，本文设计了一套温差发电装置为可穿戴电子设备供电，对不同型号温差发电模块进行特定工况下的性能测试实验，并对工况传热过程进行Fluent数值模拟。结果表明，该发电装置具有一定的实际应用价值。

1、实验装置与方法

实验设备包括温差发电装置、热电偶、研华Data Logger软件、研华数据采集模块USB-4718和华为WATCH GT手表等。其中，温差发电装置由温差发电模块组成。本实验采用的温差发电模块为TEC1-03150、TEC1-3105、TEC1-12704和TEC1-12705,不同型号温差发电模块如图1所示，不同型号温差发电模块参数如表1所示。实验过程中温差发电模块的工作端一侧接触人体皮肤，另一侧接触环境；数据采集装置连接在温差发电模块的输出端，用于采集温差发电输出的电信号。同时，将数据采集装置连接电脑，通过专用的Data Logger采集软件对采集的数据进行显示。温差发电系统流程图如图2所示。

1.1静止条件下手臂处温差发电实验

按照图2b所示连接装置，将TEC1-12705温差发电模块加装隔热板固定在手臂处，启动Data Logger进行数据采集，实验进行5 s后抽出隔热板，待图像稳定一段时间后关闭采集按钮。对TEC1-03150、TEC1-3105和TEC1-12704型号的温差发电模块重复上述操作，分析拟定不同型号温差发电模块的实验操作时长，随后将热电偶直接与数据采集模块连接，采集环境温度，分析确定温度处理方法。

1.2不同环境温度手臂处温差发电实验

静止条件下根据实验调试方法对环境温度和手臂温度进行采集，将采集得到的实验数据进行均值处理并绘制成温度曲线。另外，在不同环境温度下，将TEC1-03150温差发电模块加装隔热板固定在手臂处，按照图2b所示连接装置，启动Data Logger进行数据采集，并对另3种型号温差发电模块重复上述步骤，得到电流、电压以及体表温度数据。

1.3强化换热后手臂处的温差发电实验

静止条件下重复测温步骤后，在TEC1-03150温差发电模块冷源侧加装铝制散热片并固定到手臂处，重复采集步骤，记录实验输出数据。

1.4运动条件下手臂处的温差发电实验

重复测温步骤后，选择TEC1-03150温差发电模块固定到手臂处，佩戴华为WATCH GT手表对心率进行实时监测。当心率读数保持在60～80次/min时，即人体在静止状态下，按照图2b所示连接发电装置并对输出数据进行采集；当心率读数保持在120～130次/min时，即在运动状态下，重复采集步骤，最终综合静止与运动时的输出数据。

2、实验结果与分析

2.1静止条件下手臂处温差发电实验

为确定温度处理方法，对实验所处环境温度进行采集，环境温度实时曲线如图3所示。实验结果显示，温差发电装置检测到的环境温度数值围绕定值波动，因此，后续实验温度参数均采用求平均值的方法。人体静止条件下，手臂处不同发电装置电信号输出曲线如图4所示。

由图4可以看出，不同发电装置的电压及电流的稳定输出量级均较低，电压维持在0～30 mV之间，空载电流维持在0～0.1 mA之间，整体输出为TEC1-03150<TEC1-3105<TEC1-12704<TEC1-12705。

采用简单的一维传热模型对输出曲线进行分析，皮肤与装置热源侧属于热传导，装置冷源侧与外界环境属于热对流。实验开始后抽去隔热板，皮肤与装置热源侧发生热传导，装置热源侧温度逐渐上升，温差发电装置两侧产生温差，使发电装置输出的电压和电流值不断增大。随着实验的进行，皮肤与装置热源侧之间的热传导速率因温度梯度逐渐减小而减慢，装置内部的热传导速率因温差逐渐加大而加快。当两者相等时，温差发电装置的输出电压、电流值就会停止增长并达到输出峰值，该峰值为可穿戴温差发电装置设计中的一个输出过度值。随后，电压、电流输出值都缓慢降低，该过程发生的主要原因是装置内部的热传导使装置冷热源两侧之间的温度梯度逐渐降低。经过一段时间，温差发电装置冷热源两侧形成稳定温差，从而输出稳定电动势，可穿戴温差发电装置的设计关键为实验稳定输出值。当实验进行到150 s时，实时曲线已经处于相对稳定阶段，数据更可靠，后续实验时间均为180 s。

2.2静止条件下不同环境温度手臂处温差发电实验

为准确模拟人体在春、夏、秋、冬和不同温度环境中可穿戴温差发电设备的输出性能，本组实验探究了不同环境温度下可穿戴温差发电装置的电流、电压输出曲线。整体温度取值范围包括0 ℃,10 ℃,20 ℃和25 ℃～30 ℃,不同环境温度实时曲线如图5所示。在不同温度环境下，TEC1-03150的电信号输出曲线如图6所示。由图6可以看出，环境与人体之间温差越大，温差发电装置的发电性能越好。由此可见，实验装置的输出规律符合塞贝克效应的理论预估。

2.3静止条件下加装散热器后手臂处的温差发电实验

本组实验中，环境及人体体表温度实时曲线如图7所示。由图7可以看出，将测量的实时温度数据进行平均取值后，环境温度为20.56℃,体表温度为31.73℃。散热片加装前后TEC1-03150的电信号输出曲线如图8所示。由图8可以看出，2组实验数据差异明显，加装散热片后冷源侧及时散热，温差保持动态平衡，较未加装前，电流与电压的输出峰值与稳定输出值均有明显提高。实验结果可采用简单的一维传热模型进一步分析，装置冷源侧与外界环境属于热对流，加装散热片后换热系数增大，从而增大装置冷源侧与外界环境的换热量。因此，与加装前相比，加装散热片后电流与电压输出值幅度明显增大，后续对可穿戴温差发电设备进行设计时应加装散热片等散热设备。

2.4运动条件下手臂处的温差发电实验

在人体运动与静止状态下，体表温度及环境温度实时曲线如图9所示。由图9可以看出，将测量的实时温度数据进行平均取值后，环境温度为21.77℃,运动时体表温度为31.02℃,静止时体表温度为30.94℃。由此可见，人体运动所产生的附加代谢对体表温度的影响比较小，大约只增加0.1℃,根据塞贝克效应，计算出输出量的增加微乎其微。不同状态下，TEC1-03150的电信号输出曲线如图10所示。由图10可以看出，运动状态的输出值远大于静止状态时的输出值，表明实际运动状态下人体新陈代谢增强，体内有机物分解释放出的化学能，一部分以热的形式释放，使装置热端温度升高，因此两端温差增大，进而输出电压增大。此外，人体处于运动状态时会增强装置冷源侧与环境的热对流，使冷源侧温度低于人体静止状态时冷源侧温度。综上所述，电流、电压的峰值输出及稳定输出均有明显提高。

3、模拟与计算

本实验对输出电压和输出电流进行监测，在充分考虑系统与外界热交换的情况下，可进行理论计算[15],即

VT=αN(Th−Tc),IT=αA(Th−Tc)2ρLVΤ=αΝ(Τh-Τc),ΙΤ=αA(Τh-Τc)2ρL (1)

式中，α是塞贝克系数；N是N、P半导体热电偶对数；A是半导体横截面积，m2;L是半导体支腿长度，m; Th、Tc分别为热电元件热端和冷端的壁面温度，K。

温差发电装置中接触皮肤的一侧为热源侧，热量由此进入整个装置，接触外界环境的一侧为冷源侧，热量由此散失到外界环境。热源侧热流速率QH(W)和冷源侧热流速率QC(W)为[16]

QH=αITTHs+λ(THs−TCs)−0.5IT2RQΗ=αΙΤΤΗs+λ(ΤΗs-ΤCs)-0.5ΙΤ2R (2)

QC=αITTCs+λ(THs−TCs)+0.5IT2RQC=αΙΤΤCs+λ(ΤΗs-ΤCs)+0.5ΙΤ2R (3)

式中，R是电路负载阻值，实验测试过程中，回路空载，所以R值为0;IT是回路中的电流，实验过程中数据采集器空载，IT为上文计算的理论电流值，A;THs和TCs分别为热源侧和冷源侧铜板的温度，数值可通过模拟来确定。其中，式(2)和式(3)中，参数λ是热电元件的材料热导率，W/(K·m),即

λ=λN(AL)N+λP(AL)Pλ=λΝ(AL)Ν+λΡ(AL)Ρ (4)

式中，λN和λP是N、P型半导体材料的导热系数。

经上述公式可得QH和QC,其差值代表能量进入和离开系统的功率大小，即Q=QH-QC,通过该数据可确认本次理论计算的重要参数——功率。物性参数和几何参数如表2所示。

模拟对象为TEC1-127XX系列温差发电模块，尺寸为40 mm×40 mm×4 mm,其中陶瓷板厚度为0.6 mm,铜板厚度为0.4 mm, PN结支腿长度为2 mm,温差发电模块几何模型如图11所示。

为了使模拟结果更准确，对装置的发电单元进行模拟，尺寸为陶瓷板3.5 mm×1.5 mm,铜板热源侧为3.5 mm×1.5 mm,冷源侧为1.5 mm×1.5 mm, PN结为1.5 mm×1.5 mm,发电单元几何模型如图12所示。

在传热模型中，冷源侧边界条件拟定为自然对流，热源侧边界条件为壁面温度，近似人体表温度。若将装置边界设为非绝热条件，会导致冷热源侧温度不均匀，从而无法进行理论计算。因此，采用绝热条件对PN结单元的不同工况进行建模分析，以便获得更加准确的理论模拟值。

4、数值模拟结果与分析

绝热条件下，PN结单元热源侧温度保持在35 ℃,冷源侧温度分别为5 ℃,10 ℃,20 ℃和25 ℃的自然对流，温度场模拟如图13所示。

加装散热器模型中，除在散热片周边设置自然对流换热的边界条件外，其他条件均与模拟5 ℃环境温度工况相同。当环境温度5 ℃时，加装散热片的PN结发电单元温度分布如图14所示。

由图13和图14可以看出，加装散热片时发电装置冷源侧温度明显降低，甚至接近于环境温度，这使温差发电具有相对较高的输出。将PN结模拟工况的理论计算所需温度参数从软件中导出，模拟参数及其理论计算结果如表3所示。

值得注意的是，理论计算与实际输出数据的数值量级相同，但理论计算值较实际输出值大，这可能是由于在工况设定时忽略了接触热阻、装置与皮肤接触不良等不可避免的因素，一定程度上影响了实际发电的输出。

5、可穿戴温差发电设备设计

结合实验数据，本文设计了一款由温差发电供能的智能手表，实验中单个温差发电模块输出功率峰值为0.05 W左右，而目前市场上智能手表的用电功率在0.001(单位统一)的范围内。因此，可通过串联温差发电模块提高发电功率，满足手表用电需求。本设计采用6片TEC1-03150温差发电模块串联、平行布置，并采用DC-DC升压和稳压电路对手表进行供电以满足手表用电需求。另外，为最大限度地提高供电能力，对温差发电装置的冷源侧和热源侧进行设计与优化。发电装置的热源侧采用以陶瓷材料包裹最外层(标号1)的温差发电模块，并将其加工为圆形或方形充当智能手表后盖，智能手表结构图如图15所示。

为减小热阻，提升其抗压和抗弯性能，提高保护手表内部电子和芯片的能力，本文将冷端设计两级散热，一级散热为铝合金散热直肋片(标号3);二级散热为微型热管，内部有一部分液体工质进行散热[17,18](标号4)。除此之外，为加装在热管冷凝段的散热肋片设计带有螺旋、凸点花纹的外壳，使液体加速冷却，同时具有美观性。以上设计均安置在手表的最低端，并在手表芯片及其他功能性装置间增设隔热板(标号5),将装置彼此隔开，减少芯片散热对热管的影响。

根据上述设计得到的可穿戴智能手表与普通市售智能手表相比，除原有的装置与功能外，加装了体积小、重量轻的温差发电装置。该发电装置的输出功率随工况不同而变化，下一步可通过不断对温差发电装置优化，实现供电与新兴功能平衡。例如，引入晶格缺陷，利用声子散射减小热电材料的热导率，从而实现温差发电性能的优化[19,20]。最后，继续研究解决发电输出的稳定持续性问题，使温差发电装置在可穿戴设备领域应用更广泛。

6、结束语

本文基于塞贝克效应的热电转换原理对不同型号的温差发电模块展开了各种工况的温差发电实验，并通过Fluent数值模拟对实验所得数据进行对比分析。结合实验所得数据与数值模拟结果，设计了一套温差发电装置，并对其进行传热优化，最后，利用该温差发电装置设计了一款基于人体温差发电供能的智能手表。研究结果表明，利用人体与环境间温差可为可穿戴设备供电，且不受限于环境与佩戴者的活跃度。但由于温差发电模块的不可拉伸性，在一定程度上影响穿戴者的舒适性，因此，实现发电装置的柔性穿戴成为未来的研究方向。

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