手心里的小太陽--靠體熱供電的手電筒

本項(xiàng)目的目標(biāo)是制作一個(gè)僅需人手的熱量下就能運(yùn)行的手電筒。使用兩個(gè)珀耳帖貼片感知手掌與周圍空氣之間的溫差，設(shè)計(jì)了一個(gè)手電筒，可以提供明亮的光線，無需電池或移動(dòng)部件。該設(shè)計(jì)符合人體工程學(xué)，熱力學(xué)效率高，只需 5℃的溫差即可工作，可產(chǎn)生 5 燭光的亮度。

摘要

當(dāng)我發(fā)現(xiàn)人體其實(shí)是一個(gè)“行走的 100 瓦燈泡”時(shí)，我選擇研究人體能量，我發(fā)現(xiàn)可以制作一個(gè)完全由人手的熱量驅(qū)動(dòng)的手電筒，于是我決定使用兩個(gè)珀耳帖貼片，珀耳帖貼片的工作原理是使用溫差來進(jìn)行發(fā)電，基于這個(gè)原理，我的手電筒用手掌作為熱源，散熱器作為冷源，這樣我的手電筒就有了電源。

人體的輻射功率大約在 5.7 mW / cm²，而 0.5 mW 的功率就可以使 LED 發(fā)出很亮的光。我重新設(shè)計(jì)了兩個(gè)珀耳帖貼片，兩者都產(chǎn)生了能量，但只有幾毫伏。由于驅(qū)動(dòng) LED 需要 2.5 V，所以我將直流輸入轉(zhuǎn)換為交流電，然后通過交流輸入帶升壓變壓器的振蕩器電路中獲得升壓。最終電路只有 3 個(gè)部件，產(chǎn)生的升壓比為 100：1。因此，珀耳帖貼片的 50 mV 的直流轉(zhuǎn)換成了 5V 交流電，這足以點(diǎn)亮 LED。最終的設(shè)計(jì)是把一個(gè)珀耳帖貼片安裝在中空的矩形鋁管上，用丙烯酸板包裹在空心鋁矩形板上，留出一個(gè)小窗口，使環(huán)境空氣冷卻珀耳帖貼片。另一個(gè)珀耳帖貼片纏繞在手掌上，用體溫加熱珀耳帖貼片，最終實(shí)現(xiàn)了在 5℃溫差下點(diǎn)亮手電筒。

具體設(shè)計(jì)過程

提出假設(shè)：如果我能從人手中捕獲足夠的熱量并將其有效轉(zhuǎn)換為電能，那么我可以在沒有任何電池或動(dòng)能的情況下為手電筒供電。

項(xiàng)目目的：制作一個(gè)使用人手溫度供電的手電筒。? ?

組件素材：

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前期調(diào)研：有個(gè)網(wǎng)站致力于研究低壓晶體管振蕩器電路，另外我在網(wǎng)上找到一篇名為“用于無電池無線傳感器的超低電壓能量收集器”的論文，這使我堅(jiān)信我的這個(gè)熱電手電筒是可以實(shí)現(xiàn)的。

理論計(jì)算

首先我需要計(jì)算我通常拿著手電筒的手掌中單位面積散發(fā)的熱量，經(jīng)過我的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，人體平均每小時(shí)耗散約 350,000 焦耳的熱量，即 97 瓦特，人體皮膚的平均表面積為 1.7 平方米，因此手掌散熱等于（97/17000）* 1000 = 5.7mW / cm²。

這里我算手掌面積約為 10cm²，這意味著手掌可以提供 57 mW 的能量。

珀耳帖貼片的熱效率約為 10％，所以我么可以在手掌中產(chǎn)生 5.7mW 的功率。而我通過測試一批新的 LED，發(fā)現(xiàn)功率至少達(dá)到 0.5 mW 才能獲得可用的 LED 亮度，接下來進(jìn)行下一步手電筒的物理測量和設(shè)計(jì)。

測試珀耳帖貼片

獲得兩套便宜，尺寸相同的珀耳帖貼片。兩塊珀耳帖貼片的面積都是 40mm²，接下來要測出珀耳帖貼片單位面積產(chǎn)生的功率。

為此，我將每個(gè)珀耳帖貼片貼在矩形鋁管上，一側(cè)用冰袋冷卻，另一側(cè)用連接到可變電源 12V 的燈泡加熱，然后測量珀耳帖貼片兩個(gè)側(cè)面之間的溫差。兩個(gè)珀耳帖貼片都能產(chǎn)生足夠的功率來點(diǎn)亮 LED，但如果僅用手掌提供熱源，產(chǎn)生的電壓只有只有 50 和 73 mV，現(xiàn)在我需要 2500 mV 來點(diǎn)亮手電筒的 LED。

提升電壓

直流電壓不能直接升壓，但如果直流電壓變?yōu)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1516654.html">交流電壓，則可以用變壓器升壓，所以我只需構(gòu)建一個(gè)帶升壓變壓器的簡單振蕩器電路即可。為此，我構(gòu)建了一個(gè)帶有場效應(yīng)晶體管的反饋振蕩器，并將變壓器纏繞在一起，升壓比為 5：125。振蕩器工作，但是珀耳帖貼片的電壓為 120 mV 時(shí) LED 才亮，而我需要在 50 mV（在 5°C 溫差下產(chǎn)生的電壓）時(shí)點(diǎn)亮。

上網(wǎng)搜索，發(fā)現(xiàn)了一篇關(guān)于能量收集的文章使用了功率轉(zhuǎn)換集成電路 LTC3108。該電路的 FET 可以在低至 20mV 的電壓下振蕩，當(dāng)與推薦的變壓器一起使用時(shí)，IC 可以提供超過 2.5V 的交流電壓。因此，現(xiàn)在我的電路只有 4 個(gè)元件：IC、升壓變壓器、47μF 電容和 LED。將 LED 連接至變壓器的輸出，我能夠獲得良好的 LED 亮度，振蕩器上只有 50 mV 的直流輸入。接下來我發(fā)現(xiàn)使用單極性升壓電路轉(zhuǎn)換器也可以獲得相同結(jié)果。

手電筒物理外觀設(shè)計(jì)

手電筒尺寸為 2.75 厘米，寬 4.50 厘米，長 17.1 厘米。將珀耳帖貼片安裝在鋁矩形管兩側(cè) 40mm 的銑削區(qū)域上，通過空氣絕緣。手通過丙烯酸板蓋上的開口夾住珀耳帖貼片。流過鋁管的空氣冷卻了手電筒。電路安裝在前面，LED 在管的中間居中。我制作了兩個(gè)手電筒，F(xiàn)1 有 2 個(gè) 40mm 珀耳帖貼片，F(xiàn)2 有 4 個(gè) 40mm 珀耳帖貼片，均做成前照燈形式。

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結(jié)論

我的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了之前的假設(shè)，即使有熱和電壓轉(zhuǎn)換損失，手掌仍能提供足夠的功率來點(diǎn)亮 LED。LED 的實(shí)際功率很難準(zhǔn)確測量，因?yàn)樗且粋€(gè) 40 kHz 的不規(guī)則方波，所以我用一個(gè)測光表和一個(gè)外部白色 LED（連接到直流電源）進(jìn)行了比較測量，外部白色 LED 和我在電路中使用的 LED 是同一種，均來自 Digikey。用測光表將外部白色 LED 亮度調(diào)節(jié)至和我設(shè)計(jì)的手電筒的 LED 一致，測量外部白色 LED 的直流功率，得到的功率基本就是手電筒 LED 的功率。

對于 F1 手電筒，我計(jì)算出 LED 的理論功率約為 1.5 mW，當(dāng)我用上述比較測量方法測量時(shí)，和我的預(yù)測結(jié)果非常接近，測得功率為 1.4 mW。F2 的理論功率應(yīng)該在 4.5 mW 左右，但我測得的功率為 5.4 mW。計(jì)算出的理論功率和實(shí)際功率的誤差在 20％之內(nèi)，結(jié)果比較理想。

使用 Spectra 光度計(jì)進(jìn)行的測量表明，兩個(gè)手電筒都能產(chǎn)生良好的光線。

手電筒 F1 在溫差 5℃時(shí)產(chǎn)生 5 燭光，在 10℃溫差下產(chǎn)生 10 燭光。

報(bào)告

總之，我成功地僅使用手的熱量為手電筒供電，這兩個(gè)手電筒不使用任何電池，有毒化學(xué)品或動(dòng)能供電，它們不會產(chǎn)生任何噪音或振動(dòng)，并且始終有效，手電筒唯一的限制是需要至少 5°C 的溫差才能點(diǎn)亮 LED。

在我的項(xiàng)目開始時(shí)，我對我的項(xiàng)目成功感到不確定，但我沒想到的是手電筒的最終亮度高達(dá) 5 燭光，我對我的結(jié)果很滿意，未來還可以繼續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

在未來，我希望致力于提高轉(zhuǎn)換器的效率，增加手電筒的亮度，并且可能使用這項(xiàng)技術(shù)為無線醫(yī)療傳感器供電。我的電路和設(shè)計(jì)在未來有著極高的可用性，例如，想象拿著你的手機(jī)，同時(shí)只需要用手的熱量就可以充電，或者教室里的所有學(xué)校椅子都有珀耳帖貼片，我可以用我的方法收獲熱量并將其放大到電力系統(tǒng)中。

在我的實(shí)驗(yàn)中，我的數(shù)據(jù)來源和計(jì)算中有幾個(gè)常見錯(cuò)誤。例如，手掌溫度和總皮膚表面積在個(gè)體之間變化很大。皮膚面積從 1.6 平方米到 2 平方米不等。另一個(gè)值得懷疑的數(shù)字是珀耳帖貼片的熱電壓轉(zhuǎn)換效率，這是熱力學(xué)中的復(fù)雜問題，取決于珀耳帖貼片、接觸區(qū)域和散熱片的導(dǎo)熱性能，并且通常不在制造商規(guī)格中給出。斯坦福大學(xué)的一篇文章和一本在線百科全書獲得了 10％的相同效率數(shù)字。我所做的電壓，電流和溫度測量是在 Fluke 儀表上完成的，具有更精確的精度，從 0.01％到 0.1％不等。

本文源自 Hackaday.io，原文可打開鏈接查看：https://hackaday.io/project/158857-body-heat-powered-flashlight

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演示視頻：https://youtu.be/PQtO65tPl7k

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