Използване на човешката енергия: Глобален преглед на системите за захранване от телесна топлина

В свят, все по-фокусиран върху устойчиви и възобновяеми енергийни източници, се появяват иновативни технологии за оползотворяване на неконвенционални ресурси. Една такава област, която набира популярност, е захранването от телесна топлина, известно още като събиране на човешка енергия. Тази област изследва потенциала за преобразуване на топлинната енергия, постоянно излъчвана от човешкото тяло, в използваема електрическа енергия. Тази статия предоставя цялостен преглед на системите за захранване от телесна топлина, като разглежда основната технология, настоящите приложения, предизвикателствата и бъдещите перспективи в глобален мащаб.

Какво е захранване от телесна топлина?

Захранването от телесна топлина се отнася до процеса на улавяне и преобразуване на топлинната енергия, произведена от човешкото тяло, в електричество. Средностатистическото човешко тяло генерира значително количество топлина, приблизително 100 вата в състояние на покой, главно чрез метаболитни процеси. Тази топлина непрекъснато се разсейва в околната среда, представлявайки лесно достъпен, макар и нискокачествен, източник на енергия.

Най-често използваната технология за генериране на енергия от телесна топлина е термоелектрическият генератор (ТЕГ). ТЕГ са твърдотелни устройства, които преобразуват топлината директно в електричество въз основа на ефекта на Зеебек. Този ефект гласи, че когато съществува температурна разлика между два различни електрически проводника или полупроводника, между тях се създава разлика в напрежението. Чрез поставяне на ТЕГ в контакт с човешкото тяло и излагане на другата му страна на по-хладна среда, се установява температурен градиент, който генерира електричество.

Как работят термоелектрическите генератори

ТЕГ се състоят от множество малки термодвойки, свързани електрически последователно и термично паралелно. Всяка термодвойка е съставена от два различни полупроводникови материала, обикновено сплави на бисмутов телурид (Bi₂Te₃). Тези материали са избрани заради високия им коефициент на Зеебек и електрическа проводимост, както и ниска топлопроводимост, за да се максимизира ефективността на устройството.

Когато едната страна на ТЕГ се нагрява (напр. при контакт с човешкото тяло), а другата се охлажда (напр. при излагане на околния въздух), електроните и дупките (носителите на заряд в полупроводниците) мигрират от горещата към студената страна. Това движение на носители на заряд създава разлика в напрежението във всяка термодвойка. Последователното свързване на множество термодвойки усилва това напрежение, което води до използваем електрически изход.

Ефективността на ТЕГ се определя от температурната разлика в устройството и свойствата на полупроводниковите материали. Коефициентът на качество (ZT) е безразмерен параметър, който характеризира производителността на термоелектрическия материал. По-висока стойност на ZT показва по-добра термоелектрическа производителност. Въпреки че е постигнат значителен напредък в изследванията на термоелектрически материали, ефективността на ТЕГ остава относително ниска, обикновено в диапазона 5-10%.

Приложения на системите за захранване от телесна топлина

Системите за захранване от телесна топлина имат широк спектър от потенциални приложения, особено в носимата електроника, медицинските устройства и дистанционното сондиране. Ето някои ключови области, в които се изследва тази технология:

Носима електроника

Едно от най-обещаващите приложения на захранването от телесна топлина е в захранването на носима електроника. Устройства като умни часовници, фитнес тракери и сензори изискват непрекъснато захранване, като често разчитат на батерии, които трябва редовно да се презареждат или сменят. Захранваните от телесна топлина ТЕГ могат да осигурят непрекъснат и устойчив източник на енергия за тези устройства, премахвайки нуждата от батерии или често зареждане.

Примери:

• Умни часовници: Изследователите разработват умни часовници с интегрирани ТЕГ, които могат да събират енергия от телесната топлина, за да захранват устройството, удължавайки живота на батерията му или дори премахвайки изцяло нуждата от батерия.
• Фитнес тракери: Захранваните от телесна топлина фитнес тракери могат непрекъснато да следят жизнени показатели като сърдечен ритъм, телесна температура и нива на активност, без да изискват често зареждане.
• Умно облекло: ТЕГ могат да бъдат интегрирани в облеклото за захранване на сензори и други електронни компоненти, което позволява непрекъснато наблюдение на здравето и персонализирана обратна връзка. Компании като Q-Symphony проучват тези интеграции.

Медицински устройства

Захранването от телесна топлина може да се използва и за захранване на медицински устройства, особено имплантируеми устройства като пейсмейкъри и глюкомери. Смяната на батерии в имплантируеми устройства изисква хирургична намеса, което крие рискове за пациента. Захранваните от телесна топлина ТЕГ могат да осигурят дълготраен и надежден източник на енергия за тези устройства, намалявайки нуждата от смяна на батерии и подобрявайки резултатите за пациента.

Примери:

• Пейсмейкъри: Изследователите работят по разработването на самозахранващи се пейсмейкъри, които събират енергия от телесната топлина, за да регулират сърдечния ритъм.
• Глюкомери: Захранваните от телесна топлина глюкомери могат непрекъснато да следят нивата на кръвната захар, без да изискват външни източници на захранване.
• Системи за доставяне на лекарства: ТЕГ могат да захранват микропомпи и други компоненти на имплантируеми системи за доставяне на лекарства, което позволява прецизно и контролирано освобождаване на лекарството.

Дистанционно сондиране

Захранването от телесна топлина може да се използва за захранване на дистанционни сензори в различни приложения, като мониторинг на околната среда, индустриален мониторинг и системи за сигурност. Тези сензори често работят на отдалечени или труднодостъпни места, където смяната на батерии е непрактична. Захранваните от телесна топлина ТЕГ могат да осигурят надежден и устойчив източник на енергия за тези сензори, което позволява непрекъснато събиране и мониторинг на данни.

Примери:

• Мониторинг на околната среда: Захранвани от телесна топлина сензори могат да бъдат разположени в отдалечени райони за наблюдение на температура, влажност и други параметри на околната среда.
• Индустриален мониторинг: ТЕГ могат да захранват сензори, които следят състоянието на машини и оборудване в индустриални условия, което позволява предсказуема поддръжка и предотвратяване на повреди на оборудването.
• Системи за сигурност: Захранвани от телесна топлина сензори могат да се използват в системи за сигурност за откриване на нарушители и наблюдение на дейността в ограничени зони.

Други приложения

Освен гореспоменатите приложения, системите за захранване от телесна топлина се проучват и за:

• Устройства от Интернет на нещата (ИН): Захранване на малки устройства с ниска мощност от ИН, които стават все по-разпространени в различни индустрии и приложения.
• Аварийно захранване: Осигуряване на резервно захранване при извънредни ситуации, като природни бедствия или прекъсване на електрозахранването.
• Военни приложения: Захранване на носена от войници електроника и сензори за комуникация, навигация и ситуационна осведоменост.

Предизвикателства и ограничения

Въпреки потенциалните ползи от захранването от телесна топлина, има няколко предизвикателства и ограничения, които трябва да бъдат преодолени, преди тази технология да бъде широко възприета:

Ниска ефективност

Ефективността на ТЕГ е относително ниска, обикновено в диапазона 5-10%. Това означава, че само малка част от топлинната енергия се преобразува в електричество. Подобряването на ефективността на ТЕГ е от решаващо значение за увеличаване на изходната мощност и за превръщането на системите за захранване от телесна топлина в по-практични.

Температурна разлика

Количеството енергия, генерирано от ТЕГ, е пропорционално на температурната разлика между горещата и студената страна. Поддържането на значителна температурна разлика може да бъде предизвикателство, особено в среди с високи околни температури или когато устройството е покрито с дрехи. Ефективното управление на топлината и изолацията са от съществено значение за максимизиране на температурната разлика и изходната мощност.

Разходи за материали

Материалите, използвани в ТЕГ, като сплави на бисмутов телурид, могат да бъдат скъпи. Намаляването на цената на тези материали е важно, за да станат системите за захранване от телесна топлина по-достъпни и лесно приложими. Изследванията са насочени към разработване на нови термоелектрически материали, които са по-разпространени и по-евтини.

Размер и тегло на устройството

ТЕГ могат да бъдат относително обемисти и тежки, което може да бъде ограничение за носимите приложения. Миниатюризацията на ТЕГ и намаляването на теглото им са важни, за да станат по-удобни и практични за ежедневна употреба. Разработват се нови техники за микропроизводство за създаване на по-малки и по-леки ТЕГ.

Контактно съпротивление

Контактното съпротивление между ТЕГ и човешкото тяло може да намали ефективността на топлопренасянето. Осигуряването на добър термичен контакт между устройството и кожата е от решаващо значение за максимизиране на изходната мощност. Това може да се постигне чрез използване на термоинтерфейсни материали и оптимизиран дизайн на устройството.

Издръжливост и надеждност

ТЕГ трябва да бъдат издръжливи и надеждни, за да издържат на трудностите на ежедневната употреба. Те трябва да могат да понасят механично натоварване, температурни колебания и излагане на влага и пот. Правилното капсулиране и опаковане са от съществено значение за защитата на ТЕГ и осигуряването на дългосрочната му работа.

Глобални усилия за изследване и развитие

В световен мащаб се полагат значителни усилия в областта на научните изследвания и развойната дейност за преодоляване на предизвикателствата и ограниченията на системите за захранване от телесна топлина и за разгръщане на пълния им потенциал. Тези усилия са насочени към:

Подобряване на термоелектрическите материали

Изследователите проучват нови термоелектрически материали с по-високи стойности на ZT. Това включва разработването на нови сплави, наноструктури и композитни материали. Например, учени от Северозападния университет в САЩ са разработили гъвкав термоелектрически материал, който може да бъде интегриран в облекло. В Европа, Европейското термоелектрическо дружество (ETS) координира изследователските усилия в множество държави.

Оптимизиране на дизайна на устройствата

Изследователите оптимизират дизайна на ТЕГ, за да максимизират преноса на топлина и да минимизират топлинните загуби. Това включва използването на усъвършенствани радиатори, микрофлуидни охладителни системи и нови архитектури на устройствата. Изследователи от Токийския университет в Япония са разработили микро-ТЕГ, който може да бъде интегриран в носими сензори. Освен това, различни изследователски екипи в Южна Корея работят по гъвкави дизайни на ТЕГ за носими приложения.

Разработване на нови приложения

Изследователите проучват нови приложения за системите за захранване от телесна топлина в различни области, като здравеопазване, мониторинг на околната среда и индустриална автоматизация. Това включва разработването на самозахранващи се медицински устройства, безжични сензори и ИН устройства. Примерите включват проекти, финансирани от Европейската комисия по програма „Хоризонт 2020“, фокусирани върху събирането на енергия за носими устройства в здравеопазването.

Намаляване на разходите

Изследователите работят за намаляване на цената на ТЕГ чрез използване на по-разпространени и по-евтини материали и разработване на по-ефективни производствени процеси. Това включва използването на техники за адитивно производство, като 3D принтиране, за създаване на ТЕГ със сложни геометрии и оптимизирана производителност. В Китай правителството инвестира сериозно в изследвания на термоелектрически материали, за да намали зависимостта от вносни материали.

Бъдещи перспективи

Бъдещето на системите за захранване от телесна топлина изглежда обещаващо, със значителен потенциал за растеж и иновации. Тъй като термоелектрическите материали и технологиите на устройствата продължават да се подобряват, се очаква захранването от телесна топлина да играе все по-важна роля в захранването на носима електроника, медицински устройства и други приложения. Намаляващият размер и цена на електрониката, съчетани с нарастващото търсене на самозахранващи се устройства, ще стимулират допълнително възприемането на системите за захранване от телесна топлина.

Ключови тенденции, които да следим:

• Усъвършенствани термоелектрически материали: Продължаващо разработване на високоефективни термоелектрически материали с подобрени стойности на ZT и намалени разходи.
• Гъвкави и разтегливи ТЕГ: Разработване на ТЕГ, които могат да се приспособяват към формата на човешкото тяло и да издържат на механично натоварване.
• Интеграция с носими устройства: Безпроблемна интеграция на ТЕГ в облекло, аксесоари и други носими устройства.
• Самозахранващи се медицински устройства: Разработване на имплантируеми и носими медицински устройства, които се захранват от телесна топлина, намалявайки нуждата от смяна на батерии.
• Приложения в ИН: Широкомащабно внедряване на захранвани от телесна топлина сензори и устройства в приложения на ИН.

Заключение

Системите за захранване от телесна топлина представляват обещаваща технология за оползотворяване на топлинната енергия, произвеждана от човешкото тяло, и преобразуването ѝ в използваемо електричество. Въпреки че остават значителни предизвикателства, продължаващите усилия в областта на научните изследвания и развойната дейност проправят пътя за по-широкото възприемане на тази технология в различни приложения. С непрекъснатото подобряване на термоелектрическите материали и технологиите на устройствата, захранването от телесна топлина има потенциала да играе значителна роля в бъдещето на устойчивата енергия и носимата електроника, с глобални последици за начина, по който захранваме устройствата си и следим здравето си.