Využití lidské energie: Globální přehled systémů pro získávání energie z tělesného tepla

Ve světě, který se stále více zaměřuje na udržitelné a obnovitelné zdroje energie, se objevují inovativní technologie, které se snaží využít nekonvenční zdroje. Jednou z takových oblastí, která si získává na popularitě, je energie z tělesného tepla, známá také jako získávání lidské energie. Tato oblast zkoumá potenciál přeměny tepelné energie, kterou lidské tělo neustále vyzařuje, na využitelnou elektrickou energii. Tento článek poskytuje komplexní přehled systémů pro získávání energie z tělesného tepla, zkoumá základní technologii, současné aplikace, výzvy a budoucí vyhlídky z globální perspektivy.

Co je energie z tělesného tepla?

Energie z tělesného tepla se týká procesu zachycování a přeměny tepelné energie produkované lidským tělem na elektřinu. Průměrné lidské tělo generuje značné množství tepla, přibližně 100 wattů v klidu, především prostřednictvím metabolických procesů. Toto teplo se neustále rozptyluje do okolního prostředí a představuje snadno dostupný, i když nízkokvalitní zdroj energie.

Nejběžnější technologií používanou pro výrobu energie z tělesného tepla je termoelektrický generátor (TEG). TEG jsou polovodičová zařízení, která přeměňují teplo přímo na elektřinu na základě Seebeckova jevu. Tento jev říká, že když existuje teplotní rozdíl mezi dvěma nestejnými elektrickými vodiči nebo polovodiči, vytvoří se mezi nimi rozdíl napětí. Umístěním TEG do kontaktu s lidským tělem a vystavením druhé strany chladnějšímu prostředí se vytvoří teplotní gradient, který generuje elektřinu.

Jak fungují termoelektrické generátory

TEG se skládají z mnoha malých termočlánků zapojených elektricky sériově a tepelně paralelně. Každý termočlánek je tvořen dvěma nestejnými polovodičovými materiály, typicky slitinami telluridu bismutitého (Bi₂Te₃). Tyto materiály jsou vybírány pro svůj vysoký Seebeckův koeficient a elektrickou vodivost, stejně jako nízkou tepelnou vodivost, aby se maximalizovala účinnost zařízení.

Když je jedna strana TEG zahřívána (např. kontaktem s lidským tělem) a druhá strana je chlazena (např. vystavením okolnímu vzduchu), elektrony a díry (nosiče náboje v polovodičích) migrují z horké strany na studenou stranu. Tento pohyb nosičů náboje vytváří rozdíl napětí na každém termočlánku. Sériové zapojení více termočlánků zesiluje toto napětí, což vede k využitelnému elektrickému výstupu.

Účinnost TEG je určena teplotním rozdílem na zařízení a materiálovými vlastnostmi polovodičů. Číslo jakosti (ZT) je bezrozměrný parametr, který charakterizuje výkon termoelektrického materiálu. Vyšší hodnota ZT indikuje lepší termoelektrický výkon. I když bylo dosaženo významného pokroku ve výzkumu termoelektrických materiálů, účinnost TEG zůstává relativně nízká, typicky v rozmezí 5-10 %.

Aplikace systémů pro získávání energie z tělesného tepla

Systémy pro získávání energie z tělesného tepla mají širokou škálu potenciálních aplikací, zejména v nositelné elektronice, lékařských zařízeních a dálkovém snímání. Zde jsou některé klíčové oblasti, kde je tato technologie zkoumána:

Nositelná elektronika

Jednou z nejslibnějších aplikací energie z tělesného tepla je napájení nositelné elektroniky. Zařízení, jako jsou chytré hodinky, fitness trackery a senzory, vyžadují nepřetržité napájení, často se spoléhají na baterie, které je třeba pravidelně dobíjet nebo vyměňovat. TEG napájené tělesným teplem mohou poskytnout nepřetržitý a udržitelný zdroj energie pro tato zařízení, čímž eliminují potřebu baterií nebo častého nabíjení.

Příklady:

• Chytré hodinky: Výzkumníci vyvíjejí chytré hodinky s integrovanými TEG, které mohou získávat energii z tělesného tepla k napájení zařízení, prodlužovat životnost baterie nebo dokonce eliminovat potřebu baterie úplně.
• Fitness Trackery: Fitness trackery napájené tělesným teplem mohou nepřetržitě monitorovat životní funkce, jako je srdeční frekvence, tělesná teplota a úroveň aktivity, bez nutnosti častého nabíjení.
• Chytré oblečení: TEG lze integrovat do oblečení k napájení senzorů a dalších elektronických komponent, což umožňuje nepřetržité monitorování zdraví a personalizovanou zpětnou vazbu. Společnosti jako Q-Symphony zkoumají tyto integrace.

Lékařské přístroje

Energie z tělesného tepla může být také použita k napájení lékařských zařízení, zejména implantabilních zařízení, jako jsou kardiostimulátory a glukometry. Výměna baterií v implantabilních zařízeních vyžaduje operaci, která představuje riziko pro pacienta. TEG napájené tělesným teplem mohou poskytnout dlouhotrvající a spolehlivý zdroj energie pro tato zařízení, čímž se sníží potřeba výměny baterií a zlepší se výsledky léčby pacientů.

Příklady:

• Kardiostimulátory: Výzkumníci pracují na vývoji samo-napájených kardiostimulátorů, které získávají energii z tělesného tepla k regulaci srdečního rytmu.
• Glukometry: Glukometry napájené tělesným teplem mohou nepřetržitě sledovat hladinu cukru v krvi bez nutnosti externích zdrojů energie.
• Systémy pro podávání léků: TEG mohou napájet mikro-čerpadla a další komponenty implantabilních systémů pro podávání léků, což umožňuje přesné a kontrolované uvolňování léků.

Dálkové snímání

Energie z tělesného tepla může být použita k napájení vzdálených senzorů v různých aplikacích, jako je monitorování životního prostředí, průmyslové monitorování a bezpečnostní systémy. Tyto senzory často pracují ve vzdálených nebo těžko přístupných místech, kde je výměna baterií nepraktická. TEG napájené tělesným teplem mohou poskytnout spolehlivý a udržitelný zdroj energie pro tyto senzory, což umožňuje nepřetržité shromažďování dat a monitorování.

Příklady:

• Monitorování životního prostředí: Senzory napájené tělesným teplem mohou být rozmístěny ve vzdálených oblastech k monitorování teploty, vlhkosti a dalších parametrů životního prostředí.
• Průmyslové monitorování: TEG mohou napájet senzory, které monitorují stav strojů a zařízení v průmyslovém prostředí, což umožňuje prediktivní údržbu a předcházení poruchám zařízení.
• Bezpečnostní systémy: Senzory napájené tělesným teplem mohou být použity v bezpečnostních systémech k detekci vetřelců a monitorování aktivity v omezených oblastech.

Další aplikace

Kromě výše uvedených aplikací jsou systémy pro získávání energie z tělesného tepla také zkoumány pro:

• Internet věcí (IoT) Zařízení: Napájení malých, nízkoenergetických IoT zařízení, které jsou stále rozšířenější v různých průmyslových odvětvích a aplikacích.
• Nouzové napájení: Poskytování záložního napájení v nouzových situacích, jako jsou přírodní katastrofy nebo výpadky proudu.
• Vojenské aplikace: Napájení elektroniky a senzorů nošených vojáky pro komunikaci, navigaci a situační povědomí.

Výzvy a omezení

Navzdory potenciálním výhodám energie z tělesného tepla je třeba vyřešit několik výzev a omezení, než bude tato technologie široce přijata:

Nízká účinnost

Účinnost TEG je relativně nízká, typicky v rozmezí 5-10 %. To znamená, že pouze malá část tepelné energie je přeměněna na elektřinu. Zlepšení účinnosti TEG je zásadní pro zvýšení výkonu a zvýšení praktičnosti systémů pro získávání energie z tělesného tepla.

Teplotní rozdíl

Množství energie generované TEG je úměrné teplotnímu rozdílu mezi horkou a studenou stranou. Udržování významného teplotního rozdílu může být náročné, zejména v prostředích s vysokými okolními teplotami nebo když je zařízení zakryto oblečením. Efektivní řízení tepla a izolace jsou nezbytné pro maximalizaci teplotního rozdílu a výkonu.

Náklady na materiál

Materiály používané v TEG, jako jsou slitiny telluridu bismutitého, mohou být drahé. Snížení nákladů na tyto materiály je důležité pro zvýšení dostupnosti a cenové dostupnosti systémů pro získávání energie z tělesného tepla. Výzkum se zaměřuje na vývoj nových termoelektrických materiálů, které jsou hojnější a méně nákladné.

Velikost a hmotnost zařízení

TEG mohou být relativně objemné a těžké, což může být omezením pro nositelné aplikace. Miniaturizace TEG a snížení jejich hmotnosti je důležité pro zvýšení jejich pohodlí a praktičnosti pro každodenní použití. Jsou vyvíjeny nové techniky mikrofabrikace k vytvoření menších a lehčích TEG.

Kontaktní odpor

Kontaktní odpor mezi TEG a lidským tělem může snížit účinnost přenosu tepla. Zajištění dobrého tepelného kontaktu mezi zařízením a pokožkou je zásadní pro maximalizaci výkonu. Toho lze dosáhnout použitím materiálů pro tepelné rozhraní a optimalizovaným designem zařízení.

Životnost a spolehlivost

TEG musí být odolné a spolehlivé, aby vydržely nároky každodenního používání. Měly by být schopny tolerovat mechanické namáhání, kolísání teplot a vystavení vlhkosti a potu. Správné zapouzdření a balení jsou nezbytné pro ochranu TEG a zajištění jeho dlouhodobého výkonu.

Globální výzkum a vývoj

Po celém světě probíhají významné výzkumné a vývojové snahy k překonání výzev a omezení systémů pro získávání energie z tělesného tepla a odemknutí jejich plného potenciálu. Tyto snahy se zaměřují na:

Zlepšování termoelektrických materiálů

Výzkumníci zkoumají nové termoelektrické materiály s vyššími hodnotami ZT. To zahrnuje vývoj nových slitin, nanostruktur a kompozitních materiálů. Například vědci z Northwestern University ve Spojených státech vyvinuli flexibilní termoelektrický materiál, který lze integrovat do oblečení. V Evropě koordinuje Evropská termoelektrická společnost (ETS) výzkumné úsilí v mnoha zemích.

Optimalizace designu zařízení

Výzkumníci optimalizují design TEG, aby maximalizovali přenos tepla a minimalizovali tepelné ztráty. To zahrnuje použití pokročilých chladičů, mikrofluidních chladicích systémů a nových architektur zařízení. Výzkumníci z Tokijské univerzity v Japonsku vyvinuli mikro-TEG, který lze integrovat do nositelných senzorů. Kromě toho různé výzkumné týmy v Jižní Koreji pracují na flexibilních designech TEG pro nositelné aplikace.

Vývoj nových aplikací

Výzkumníci zkoumají nové aplikace pro systémy pro získávání energie z tělesného tepla v různých oblastech, jako je zdravotnictví, monitorování životního prostředí a průmyslová automatizace. To zahrnuje vývoj samo-napájených lékařských zařízení, bezdrátových senzorů a IoT zařízení. Příklady zahrnují projekty financované Evropskou komisí v rámci programu Horizont 2020, které se zaměřují na získávání energie pro nositelná zařízení ve zdravotnictví.

Snižování nákladů

Výzkumníci pracují na snižování nákladů na TEG pomocí hojnějších a méně nákladných materiálů a vývojem efektivnějších výrobních procesů. To zahrnuje použití aditivních výrobních technik, jako je 3D tisk, k vytváření TEG se složitou geometrií a optimalizovaným výkonem. V Číně vláda masivně investuje do výzkumu termoelektrických materiálů, aby snížila závislost na dovážených materiálech.

Budoucí vyhlídky

Budoucnost systémů pro získávání energie z tělesného tepla vypadá slibně s významným potenciálem pro růst a inovace. Jak se budou termoelektrické materiály a technologie zařízení nadále zlepšovat, očekává se, že energie z tělesného tepla bude hrát stále důležitější roli při napájení nositelné elektroniky, lékařských zařízení a dalších aplikací. Klesající velikost a náklady na elektroniku v kombinaci s rostoucí poptávkou po samo-napájených zařízeních dále podpoří přijetí systémů pro získávání energie z tělesného tepla.

Klíčové trendy, které je třeba sledovat:

• Pokročilé termoelektrické materiály: Pokračující vývoj vysoce výkonných termoelektrických materiálů se zlepšenými hodnotami ZT a sníženými náklady.
• Flexibilní a roztažitelné TEG: Vývoj TEG, které se mohou přizpůsobit tvaru lidského těla a odolat mechanickému namáhání.
• Integrace s nositelnými zařízeními: Bezproblémová integrace TEG do oblečení, doplňků a dalších nositelných zařízení.
• Samo-napájená lékařská zařízení: Vývoj implantabilních a nositelných lékařských zařízení, která jsou napájena tělesným teplem, čímž se snižuje potřeba výměny baterií.
• IoT aplikace: Rozsáhlé nasazení senzorů a zařízení napájených tělesným teplem v IoT aplikacích.

Závěr

Systémy pro získávání energie z tělesného tepla představují slibnou technologii pro využití tepelné energie produkované lidským tělem a její přeměnu na využitelnou elektřinu. I když zbývá vyřešit významné výzvy, probíhající výzkum a vývoj připravují cestu pro širší přijetí této technologie v různých aplikacích. Jak se budou termoelektrické materiály a technologie zařízení nadále zlepšovat, má energie z tělesného tepla potenciál hrát významnou roli v budoucnosti udržitelné energie a nositelné elektroniky s globálními dopady na to, jak napájíme naše zařízení a monitorujeme naše zdraví.