一種基于熱電效應(yīng)的無(wú)線充電方法及裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種基于熱電材料的無(wú)線充電方法及設(shè)備。該技術(shù)利用吸波材料對(duì)電磁波進(jìn)行吸收，使吸收的電磁波能量轉(zhuǎn)換為熱能；選擇合適的熱電材料并將吸波材料緊貼在熱電材料的一端，則熱電材料中與吸波材料緊貼的一端的溫度升高，并在該熱電材料中形成溫度梯度，該溫度梯度將在熱電材料的兩端形成熱電電動(dòng)勢(shì)，從而可以對(duì)電池充電。相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)線充電技術(shù)，本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)的無(wú)線充電技術(shù)可以兼有充電距離遠(yuǎn)、電磁波適用頻帶寬、待充電設(shè)備體積小以及可同時(shí)為多設(shè)備充電等優(yōu)勢(shì)。

Wireless charging method and device based on thermoelectric effect

The invention discloses a wireless charging method and a device based on thermoelectric material. The technology uses a microwave absorbing material on the electromagnetic wave absorption, electromagnetic wave energy conversion into heat absorption; choose suitable thermoelectric materials and absorbing wave material close to the end of thermoelectric materials, thermoelectric materials with higher end suction wave material close to the temperature, and the temperature gradient formed in the thermal electric material and the temperature gradient will be formed at both ends of thermoelectric EMF of thermoelectric materials, which can charge the battery. Compared with the traditional wireless charging technology, the wireless charging technology of the invention has the advantages of long charging distance, wide application range of electromagnetic wave, small size of the equipment to be charged, and charging for multiple devices at the same time.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種基于熱電效應(yīng)的無(wú)線充電方法及裝置
本專(zhuān)利技術(shù)屬于無(wú)線充電
，具體涉及一種基于熱電效應(yīng)的無(wú)線充電方法及裝置。
技術(shù)介紹
目前，無(wú)線充電技術(shù)主要基于電磁感應(yīng)、電磁共振，微波耦合，以及電場(chǎng)耦合等方式。其中，基于電磁感應(yīng)方式的無(wú)線充電技術(shù)，利用兩個(gè)線圈(初級(jí)線圈和次級(jí)線圈)間的電磁感應(yīng)現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)能量傳輸，是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的無(wú)線充電技術(shù)。這種無(wú)線充電方式雖然具備較高的能量轉(zhuǎn)化效率，但是其缺點(diǎn)也非常明顯，如：兩個(gè)線圈之間的距離必須非常近；充電的方向性較高，即兩個(gè)線圈的中軸要盡量重合；只能同時(shí)給一個(gè)設(shè)備充電等。而基于電磁共振的無(wú)線充電技術(shù)，通過(guò)匹配兩個(gè)線圈的諧振頻率，使傳輸距離有所提高(數(shù)米范圍)，但是往往需要為線圈配套電容和電感等元件，以匹配諧振頻率。基于微波耦合的無(wú)線充電技術(shù)，以微波諧振的方式，通過(guò)發(fā)射和接收微波的方式傳遞能量，進(jìn)一步提高了傳輸距離。不過(guò)，其接收端需要配合諧振模塊，以接收微波信號(hào)。相比之下，基于電場(chǎng)耦合的無(wú)線充電技術(shù)，通過(guò)類(lèi)似于平板電容的電耦合方式充電，并不需要配備線圈或者天線等額外的匹配元件，這樣有可能被用于以輕薄為發(fā)展趨勢(shì)的手機(jī)等小型設(shè)備。不過(guò)這種無(wú)線充電方式也要求充電器與待充電設(shè)備之間的距離足夠近。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的目的在于提出一種基于熱電效應(yīng)的無(wú)線充電方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線充電。本專(zhuān)利技術(shù)無(wú)線充電方法的主要步驟和原理如下：1)根據(jù)待充電設(shè)備的電池容量大小和體積要求，選擇合適的熱電材料：根據(jù)待充電設(shè)備的體積要求，所使用的具有熱電發(fā)電效應(yīng)的熱電材料可以是薄層狀的同質(zhì)或異質(zhì)材料或二維材料，也可以是立體結(jié)構(gòu)的同質(zhì)或異質(zhì)材料。所使用的熱電材料的厚度在5nm～5mm，吸波材料的厚度在1nm～10mm。熱電材料的熱電發(fā)電能力以熱電優(yōu)值(ZT)來(lái)衡量：S、σ、κ和T分別為該熱電材料的塞貝克系數(shù)(SeebeckCoefficient)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和絕對(duì)溫度。2)在熱電材料產(chǎn)生熱電電動(dòng)勢(shì)的兩端，制作兩個(gè)電極并引出導(dǎo)線。記該熱電材料中產(chǎn)生熱電電動(dòng)勢(shì)的方向記為水平方向，則在垂直于該水平方向上的兩個(gè)端面上分別制作電極并引出導(dǎo)線。兩個(gè)電極分別記作電極A和電極B。制作的兩個(gè)電極可以分別與兩個(gè)端面重合，也可以只分別覆蓋兩個(gè)端面的一部分，也可以分別延伸出兩個(gè)端面并包裹與水平方向平行的其他端面。兩個(gè)電極的尺寸和在兩個(gè)端面上的相對(duì)位置可以相同，也可以不同。電極的制作方法可以是電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)、濺射、離子鍍、三維立體打印、金屬?lài)娡康取?)選擇合適的吸波材料緊貼在其中的一個(gè)電極表面，當(dāng)與吸波材料吸收波段一致的電磁波發(fā)射至吸波材料表面時(shí)，電磁波能量將被轉(zhuǎn)化熱能。吸收的熱能將使得熱電材料的一端溫度升高，另一端溫度保持不變，于是產(chǎn)生一定的溫度梯度，從而產(chǎn)生熱電電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于薄層狀的熱電材料或二維熱電材料，吸波材料應(yīng)緊貼于延伸至水平面上的電極表面如圖1。實(shí)際使用時(shí)，由于薄層狀或二維熱電材料易碎或較軟，還需要將他們先貼在一個(gè)絕緣襯底上。對(duì)于具有立體結(jié)構(gòu)的熱電材料，吸波材料應(yīng)覆蓋在垂直于水平方向的電極表面，如圖2。吸波材料可以覆蓋在電極A的表面，也可以覆蓋在電極B的表面。不同的設(shè)備對(duì)吸波材料的吸波能力和體積有著不同的要求，根據(jù)實(shí)際需要，所使用的吸波材料可以是表面有凸起的薄層材料，可以是表面平整的薄層材料，也可以是一些二維材料，如圖3。吸波材料的吸波能力以反射率Rw來(lái)衡量(單位：dB)。雖然有透射波的存在，但吸波材料的吸波能力總會(huì)隨著反射率的減小而增大。因此，這里認(rèn)為Rw越小，吸波能力越強(qiáng)。電磁波的入射方向與吸波材料表面的法線可以呈任意角度α(0°≤α<90°)。4)將以上步驟中的各種材料和部件進(jìn)行封裝和固定，并將步驟2)中的能夠產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的兩個(gè)導(dǎo)線與電池的電源管理芯片相連，如圖4。用于封裝和固定的材料應(yīng)當(dāng)具有較低的導(dǎo)熱能力，以免降低熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換能力。5)使用射頻發(fā)射器發(fā)射一定頻率的電磁波，從而對(duì)配置有熱電無(wú)線充電模塊的設(shè)備進(jìn)行無(wú)線充電：根據(jù)各種吸波材料對(duì)各頻段電磁波吸收的強(qiáng)度，需選擇吸收強(qiáng)度較大的頻率段的電磁波發(fā)射至所使用的吸波材料的表面，以保證較高的能量轉(zhuǎn)換效率。本專(zhuān)利技術(shù)提供的基于熱電發(fā)電效應(yīng)的無(wú)線充電裝置包括—襯底，襯底上設(shè)有熱電材料層，在該熱電材料的能產(chǎn)生熱電電動(dòng)勢(shì)的兩端制備電極并引出兩根導(dǎo)線；且上述熱電材料的一端覆蓋有吸波材料層，上述所有材料封裝后固定在—?dú)んw內(nèi)部。對(duì)于配置有熱電無(wú)線充電模塊的小體積裝置，需將其正向放置在射頻發(fā)射器上，以便實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電；而對(duì)于配置有熱電無(wú)線充電模塊的體積較大的裝置，如果使用表面有凸起的吸波材料，將待充電設(shè)備放置在射頻發(fā)射器的附近，也可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。上述電磁波指波長(zhǎng)為0.3mm～3000m的無(wú)線電波。上述吸波材料指可以吸收電磁波的所有材料，可以是橡膠、泡沫及其它高分子材料、金屬或其粉末、鐵氧體、陶瓷、III-V族化合物材料、碳基材料(如石墨烯、石墨、碳納米管等)等。上述熱電材料指具有熱電效應(yīng)的所有材料，可以是硅、鍺、硅鍺合金，硒、碲等的合金，鉍、銻、鉛等金屬的合金，硒、碲等非金屬與鉍、銻、鉛等金屬的化合物，金屬硅化物，方鈷礦型化合物(如CoSb3等)、Zn4Sb3、各種氧化物(如NaCo2O4等)。本專(zhuān)利技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：由于電磁波能量在遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程中只有非常小的損耗，本專(zhuān)利技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線充電。另外，本專(zhuān)利技術(shù)不需要使用線圈以及微波接收裝置，而且所依賴(lài)的吸波材料和熱電材料均可以是薄層材料或二維材料，所以待充電設(shè)備可以具有非常小的體積。因此，本專(zhuān)利技術(shù)的無(wú)線充電技術(shù)可以兼有微波耦合和電場(chǎng)耦合無(wú)線充電方式的優(yōu)勢(shì)。由于吸波材料可以對(duì)某個(gè)較寬的頻段內(nèi)的電磁波有較強(qiáng)的吸收，本專(zhuān)利技術(shù)對(duì)電磁波的頻率沒(méi)有太高的要求。另外，本專(zhuān)利技術(shù)還可以同時(shí)為多臺(tái)待充電設(shè)備充電，節(jié)約充電器資源。附圖說(shuō)明圖1由具有薄層狀的熱電材料或二維熱電材料構(gòu)成的無(wú)線充電裝置示意圖；圖2由具有立體結(jié)構(gòu)的熱電材料構(gòu)成的無(wú)線充電裝置示意圖；圖3不同體積、不同用途的吸波材料的示意圖：表面有凸起的薄層材料(a)，表面平整的薄層材料(b)，具有吸波能力的二維材料(c)；圖4將無(wú)線充電裝置與電池的電源管理芯片相連接的示意圖；圖中1—熱電材料；2—表面有凸起的薄層吸波材料；3—表面平整的薄層吸波材料；4—二維吸波材料；5—金屬電極；6—金屬連線；7—電磁波；8—絕緣襯底；9—電池的電源管理芯片。具體實(shí)施方式下面通過(guò)實(shí)例對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)做進(jìn)一步說(shuō)明。需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本專(zhuān)利技術(shù)，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本專(zhuān)利技術(shù)及所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本專(zhuān)利技術(shù)不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi)容，本專(zhuān)利技術(shù)要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。實(shí)例1：適用于小體積、較小電池容量的設(shè)備的熱電無(wú)線充電裝置。1)選擇尺寸合適的云母襯底，在其表面生長(zhǎng)Bi2Te3二維材料，作為熱電發(fā)電材料：由于類(lèi)似智能手表的小體積、較小電池容量的設(shè)備具有非常小的體積，使用二維材料作為熱電發(fā)電材料則盡可能地減小了占用的體積。另外，這類(lèi)設(shè)備電池容量并不大，因此Bi2Te3雖然熱電優(yōu)值不高(ZT＝0.4～0.7)，但可以滿(mǎn)足這類(lèi)設(shè)備的要求。選擇一塊尺寸合適的云母襯底(3cm×3cm×600μm)，將其放在用于生長(zhǎng)的管式爐中，Bi2Te3本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于熱電發(fā)電效應(yīng)的無(wú)線充電方法，包含如下步驟：1)根據(jù)待充電設(shè)備的電池容量選擇熱電材料；2)在熱電材料中產(chǎn)生熱電電動(dòng)勢(shì)的兩端制備電極并引出兩根導(dǎo)線；3)根據(jù)待充電設(shè)備的體積要求選擇吸波材料，并將吸波材料緊貼在熱電材料一端的電極表面；4)將步驟1)～3)中所述的材料封裝和固定并將從熱電材料兩端引出的導(dǎo)線與待充電設(shè)備的電池電源管理芯片相連；5)發(fā)射與吸波材料吸收波段一致的電磁波，待充電設(shè)備接收到電磁波后將產(chǎn)生熱電電動(dòng)勢(shì)，為電池充電。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于熱電發(fā)電效應(yīng)的無(wú)線充電方法，包含如下步驟：1)根據(jù)待充電設(shè)備的電池容量選擇熱電材料；2)在熱電材料中產(chǎn)生熱電電動(dòng)勢(shì)的兩端制備電極并引出兩根導(dǎo)線；3)根據(jù)待充電設(shè)備的體積要求選擇吸波材料，并將吸波材料緊貼在熱電材料一端的電極表面；4)將步驟1)～3)中所述的材料封裝和固定并將從熱電材料兩端引出的導(dǎo)線與待充電設(shè)備的電池電源管理芯片相連；5)發(fā)射與吸波材料吸收波段一致的電磁波，待充電設(shè)備接收到電磁波后將產(chǎn)生熱電電動(dòng)勢(shì)，為電池充電。2.如權(quán)利要求1所述的無(wú)線充電方法，其特征在于，步驟1)中所述的熱電材料指具有熱電效應(yīng)的所有材料，具體包括硅、鍺、硅鍺合金；或硒、碲合金；或鉍、銻、鉛合金；或非金屬與金屬的化合物；金屬硅化物、方鈷礦型化合物、Zn4Sb3。3.如權(quán)利要求1所述的無(wú)線充電方法，其特征在于，步驟1)中所述的熱電材料的厚度在5nm～5mm的范圍。4.如權(quán)利要求1所述的無(wú)線充電方法，其特征在于，步驟1)中所述的待充電設(shè)備指一切需要使用電池供電的設(shè)備。5.如權(quán)利要求1所述的無(wú)線充電方法，其特征在于，步驟2)中所述的兩個(gè)電極分別與兩個(gè)端面重合，或只分別覆蓋兩個(gè)端面的一部分，或分別延伸出兩個(gè)端面并包裹與水...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王紫東，彭沛，田仲政，任黎明，傅云義，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：北京大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京,11