手心里的小太陽--靠體熱供電的手電筒

本項目的目標(biāo)是制作一個僅需人手的熱量下就能運行的手電筒。使用兩個珀耳帖貼片感知手掌與周圍空氣之間的溫差，設(shè)計了一個手電筒，可以提供明亮的光線，無需電池或移動部件。該設(shè)計符合人體工程學(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)人體其實是一個“行走的 100 瓦燈泡”時，我選擇研究人體能量，我發(fā)現(xiàn)可以制作一個完全由人手的熱量驅(qū)動的手電筒，于是我決定使用兩個珀耳帖貼片，珀耳帖貼片的工作原理是使用溫差來進行發(fā)電，基于這個原理，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)計了兩個珀耳帖貼片，兩者都產(chǎn)生了能量，但只有幾毫伏。由于驅(qū)動 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，這足以點亮 LED。最終的設(shè)計是把一個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，留出一個小窗口，使環(huán)境空氣冷卻珀耳帖貼片。另一個珀耳帖貼片纏繞在手掌上，用體溫加熱珀耳帖貼片，最終實現(xiàn)了在 5℃溫差下點亮手電筒。

具體設(shè)計過程

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能的情況下為手電筒供電。

項目目的：制作一個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，這使我堅信我的這個熱電手電筒是可以實現(xiàn)的。

理論計算

首先我需要計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)功率至少達到 0.5 mW 才能獲得可用的 LED 亮度，接下來進行下一步手電筒的物理測量和設(shè)計。

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側(cè)面之間的溫差。兩個珀耳帖貼片都能產(chǎn)生足夠的功率來點亮 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 LED 才亮，而我需要在 50 mV（在 5°C 溫差下產(chǎn)生的電壓）時點亮。

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，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

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。我制作了兩個手電筒，F(xiàn)1 有 2 個 40mm 珀耳帖貼片，F(xiàn)2 有 4 個 40mm 珀耳帖貼片，均做成前照燈形式。

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結(jié)論

我的實驗結(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亮 LED。LED 的實際功率很難準(zhǔn)確測量，因為它是一個 40 kHz 的不規(guī)則方波，所以我用一個測光表和一個外部白色 LED（連接到直流電源）進行了比較測量，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，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。計算出的理論功率和實際功率的誤差在 20％之內(nèi)，結(jié)果比較理想。

使用 Spectra 光度計進行的測量表明，兩個手電筒都能產(chǎn)生良好的光線。

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

報告

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

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

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，并且可能使用這項技術(shù)為無線醫(yī)療傳感器供電。我的電路和設(shè)計在未來有著極高的可用性，例如，想象拿著你的手機，同時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。

在我的實驗中，我的數(shù)據(jù)來源和計算中有幾個常見錯誤。例如，手掌溫度和總皮膚表面積在個體之間變化很大。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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