一种为低功耗人体诊断设备供电的穿戴式温差发电装置的制作方法

本发明属于温差发电的技术领域，具体涉及一种为低功耗人体诊断设备供电的穿戴式温差发电装置。

背景技术：

由低功耗的人体传感器作为主要组成部分的人体诊断装置，在疾病预防和健康监测领域中发挥着重要的作用。目前，使用传统的电池供电是主流的选择，造成的后果包括频繁充电和电池更换，以及严重的环境污染；因此，人们继续探索可持续清洁能源的选择以取代电池。

目前为止，科学家们已经在太阳能和风能领域进行了大量的研究，但这些能量本身有特定的外部环境。在一定条件下，太阳或风几乎不可能发挥作用，比如在建筑物或夜间。由于这个原因，考虑发展的人体诊断设备需要一个稳定的电力供应，太阳能和风能并是不理想的选择。

温差发电是通过以温差的方式驱动半导体将热能转换为电能，温差发电主要是热能和电能之间的转换，由于该过程既没有化学反应，也没有物理反应，因此该发电技术不会对环境造成影响。温差发电组件体积小，使用时发生的磨损小，使用寿命可以很长。随着科技的发展，人们对能源的需求越来越高，温差发电模块有着明显优于传统发电技术的特点以及自身发电的环保性使其能在工业余热的利用、废热的回收与在航天潜水中的应用中大展身手。

随着可穿戴设备和便携式电子设备的发展，供电设备不仅要提供足够的功率和能量密度，而且还需要很好的灵活性，使他们能够结合服装。超级电容器作为一种新型的高性能电化学储能装置，得到了广泛的研究和应用，可弯曲、折叠的柔性超级电容器正成为一种趋势。与传统的电池和普通超级电容器相比，超级电容器具有灵活性、清洁性，并结合服装的效果接近完美。

酷爱运动的人往往会在运动时佩戴运动装备，比如护腕，护腿以及运动紧身衣，这些运动装备不仅具有很好的弹性，而且可以很好保护相应的关节。将这些运动装备作为穿戴式温差发电装置的服装载体来设计一套穿戴式温差发电装置，不仅能将温差发电片的热端与皮肤紧贴，而且外形上保持时尚运动装备的美观性，更容易被人们接受。

为了克服传统电池供电的劣势，结合柔性超级电容与半导体温差发电模块，需要设计穿戴式温差发电装置为人体诊断设备供电。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种为低功耗人体诊断设备供电的穿戴式温差发电装置，能够实现半导体温差发电模块与服装的结合，通过人体的体温与外界的环境温度的差异产生电能。经过实验，该装置完全能替代电池为低功耗的医疗传感器比如心率传感器等供电。

实现本发明的技术方案如下：

一种为低功耗人体诊断设备供电的穿戴式温差发电装置，包括温差发电模块、柔性超级电容、最大功率点跟踪MPPT控制器、外部接口和穿戴服装载体；

温差发电模块利用人体体温和外部环境的温度差异将热能转化为电能；

柔性超级电容用于储存所产生的电能；

MPPT控制器利用扰动观察法P&O算法控制柔性超级电容中的电能平稳输出，以适应外界用电器的用电；

外部接口用于输出电能；

温差发电模块镶嵌固定在穿戴服装载体预留的孔中，温差发电模块的热端接触人体皮肤，温差发电模块的冷端接触外部环境，柔性超级电容、MPPT控制器和外部接口设置在穿戴服装载体的夹层中。

进一步地，所述穿戴服装载体为运动装备。

进一步地，所述穿戴式温差发电装置还包括柔性印制电路板PCB，柔性PCB用于温差发电模块与柔性超级电容之间的电气连接以及柔性超级电容与MPPT控制器之间的电气连接。

进一步地，所述穿戴服装载体为护腕或护腿。

进一步地，所述穿戴服装载体为运动紧身衣。

进一步地，所述穿戴式温差发电装置还包括散热器，散热器的材料为铜铝合金，散热器通过导热硅胶与温差发电模块的冷端粘合，散热器的四个外沿粘合在护腕或护腿预留的孔中。

进一步地，所述温差发电模块由多个串联的热电偶组成，且温差发电模块周围均采用塑胶密封。

进一步地，所述穿戴服装载体的夹层中设有塑料电源小盒，内置MPPT控制器与外部接口。

进一步地，所述温差发电模块四周设置拉链。

有益效果：

(1)将运动装备作为穿戴服装载体，既保证了美观又能实现温差发电模块与皮肤的紧密接触，容易被更多用户接受。

(2)柔性器件(柔性超级电容和柔性PCB)的使用，提高了穿戴式供能器件的舒适性。

(3)本发明结合了绿色能源与穿戴式设备，完全可以保证小功率用电器的电能使用，是一种绿色环保高效的可持续能源。

附图说明

图1为本发明的整体结构框图。

图2为单个温差发电模块与护腕结合的结构剖面示意图。

图3为单个温差发电模块与护腕结合的外部效果图。

图4为多个温差发电模块与运动紧身衣的结合的里层结构示意图。

图5为多个温差发电模块与运动紧身衣的结合的外部效果图。

其中，1-散热器，2-温差发电模块，3-护腕，4-人体皮肤，5-手腕，6-拉链，7-运动紧身衣，8-柔性PCB，9-柔性超级电容。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种为低功耗人体诊断设备供电的穿戴式温差发电装置，包括温差发电模块、柔性超级电容、MPPT控制器、外部接口和穿戴服装载体；

温差发电模块利用人体体温和外部环境的温度差异将热能转化为电能；在本实施例中，如图2和图3为集成在护腕(3)上的温差发电装置，每个温差发电模块(2)的冷端均通过导热硅胶与散热器(1)贴合，散热器(1)的四个外沿与穿戴服装载体即护腕(3)紧贴以达到固定温差发电模块(2)的作用，散热器(1)的主要材质为铜铝合金，尺寸40*40*11mm，通过服装的弹性使得温差发电模块(2)的热端在皮肤接触层面与皮肤紧贴，充分吸收人体热能。整个装置构造简洁，成本低廉，方便扩大生产，所用的材料和器件均无噪声，无污染而且可以持续供电。

单个温差发电模块由诸多采用锑化铋材料的P型与N型半导体构成多个热电偶，由于单个热电偶只能提供微弱的电压，故将多个热电偶串联形成热电偶阵列，大大提高了供电电压。而且每个温差发电模块的周围均采用塑胶密封，起到防水和防潮的作用，内部的P型和N型半导体工作环境稳定，整体使用寿命得以延长。

柔性超级电容用于储存所产生的电能；本发明以柔性超级电容作为储能器件，以商品化的碳纤维纺织物(简称碳布)为基底，通过电化学沉积法在碳布表面沉积聚苯胺薄膜，结合PVA/H2SO4凝胶电解质制备出柔性全固态超级电容器。测试表明，将3个柔性超级电容串联起来足以点亮一个LED灯泡。柔性超级电容具有布料的柔性，在不同弯折条件下能保持稳定的性能。因为柔性超级电容的两面即分别为正极和负极，所以两根导线的线芯分别用绝缘的黑胶布贴在柔性超级电容的两面上，这两根导线即为柔性超级电容的正负极引出线。通过将柔性超级电容的两根正负极引出线分别与温差发电模块的正负极相连，使温差发电模块的电能存储进柔性超级电容。

MPPT控制器利用P&O算法控制柔性超级电容中的电能平稳输出，以适应外界低功率用电器的用电；

外部接口用于输出平稳的电能；

温差发电模块镶嵌固定在穿戴服装载体预留的孔中，温差发电模块的热端接触人体皮肤，温差发电模块的冷端接触外部环境，柔性超级电容、MPPT控制器和外部接口缝合在穿戴服装载体的夹层中。在穿戴服装载体的夹层中均设有塑料电源小盒，内置MPPT控制器与usb接口，方便外接外部设备。其中MPPT控制器内嵌P&O算法，使温差发电模块以最大功率为负载供电。

所述穿戴服装载体为运动装备，例如护腕，护腿和运动紧身衣等，其中单个温差发电模块与护腕和护腿结合，多个温差发电模块与运动紧身衣结合，分别收集手腕，小腿和腹部的人体热能。充分发挥这些运动装备的弹性面料使温差发电模块与皮肤紧贴同时又保持舒适性，并且外观与平时并无太大区别。相比其他外观突兀的穿戴式设备，本发明更容易被大众所接受。这里我们将温差发电模块与散热器当作一个温差发电单元，温差发电单元与服装具体的结合方式为将散热器与服装贴合，温差发电单元整体嵌入服装保证其热端与人体皮肤接触，通过温差发电单元周围设置拉链(6)，使得温差发电单元可以拆卸，方便洗涤服装。

所述穿戴式温差发电装置还包括柔性PCB，柔性PCB用于温差发电模块与柔性超级电容之间的电气连接以及柔性超级电容与MPPT控制器之间的电气连接。为了提高该穿戴式温差发电装置的舒适性以及简化接线，柔性PCB作为本发明的电气连接的载体，本发明的各个部分的正负极均与柔性PCB相连。在柔性PCB的两面均附上铜箔，降低阻抗。具体的连接方式是柔性PCB上面的过孔连接各个部分的正负极引出线，通过在柔性PCB上面进行布线替代传统的导线相连，一方面使得本发明的模块化程度的提升，另一方面也有利于系统的维护。与柔性超级电容相同，柔性PCB在不同弯折条件下能保持电路的连接，又能很方便地与服装结合.

图4是多个温差发电模块(2)与运动紧身衣(7)的结合内部结构示意图，温差发电模块(2)与柔性超级电容(9)通过柔性PCB(8)相连接，在提高系统模块化的同时也达到节省材料的目的。通过对人体体温的分析，由于上半身有衣服覆盖，我们默认温度变化不大，在选取位置时保证皮肤温度尽可能一致以减小失配的影响。我们将多个温差发电模块作为温差发电阵列，在温差发电阵列工作时，阵列中的各个温差发电片工作状态各异，造成整体的输出功率小于单个温差发电片输出功率之和，该现象便是失配现象。出现失配现象不可避免，具体原因主要有各个温差发电片的型号不一，不同厂家生产工艺不同，人体体表温度分布不均，温差发电片与人体结合的程度不一导致热端和冷端的温差不同都能导致失配现象的产生。

图5为穿戴式温差发电装置实际的外观效果图，同样我们设计由拉链(6)构成的可拆卸装置，方便服装的清洗。从图中可以看出，温差发电模块(2)很好的融入设计的服装当中。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。