Uurige kehasoojusenergiasüsteemide potentsiaali säästvas energiatootmises. Õppige tundma tehnoloogiat, rakendusi, väljakutseid ja globaalseid tulevikuväljavaateid.
Inimenergia rakendamine: ülemaailmne ülevaade kehasoojusenergiasüsteemidest
Maailmas, mis keskendub üha enam säästvatele ja taastuvatele energiaallikatele, kerkivad esile uuenduslikud tehnoloogiad ebatavaliste ressursside kasutuselevõtuks. Üks selline valdkond, mis kogub populaarsust, on kehasoojusenergia, tuntud ka kui inimenergia kogumine. See valdkond uurib potentsiaali muundada inimkehast pidevalt eralduv soojusenergia kasutatavaks elektrienergiaks. See artikkel annab põhjaliku ülevaate kehasoojusenergiasüsteemidest, uurides aluseks olevat tehnoloogiat, praeguseid rakendusi, väljakutseid ja tulevikuväljavaateid globaalsest perspektiivist.
Mis on kehasoojusenergia?
Kehasoojusenergia viitab protsessile, mille käigus püütakse kinni ja muundatakse inimkeha toodetud soojusenergia elektriks. Keskmine inimkeha toodab märkimisväärse koguse soojust, puhkeasendis umbes 100 vatti, peamiselt ainevahetusprotsesside kaudu. See soojus hajub pidevalt ümbritsevasse keskkonda, kujutades endast kergesti kättesaadavat, kuigi madalakvaliteedilist energiaallikat.
Kõige levinum tehnoloogia kehasoojusenergia tootmiseks on termoelektriline generaator (TEG). TEG-d on tahkisseadmed, mis muundavad soojuse otse elektriks Seebecki efekti alusel. See efekt väidab, et kui kahe erineva elektrijuhi või pooljuhi vahel on temperatuurierinevus, tekib nende vahel pingeerinevus. Asetades TEG-i kontakti inimkehaga ja jättes teise poole jahedamasse keskkonda, luuakse temperatuurigradient, mis toodab elektrit.
Kuidas termoelektrilised generaatorid töötavad
TEG-d koosnevad paljudest väikestest termopaaridest, mis on elektriliselt ühendatud jadamisi ja termiliselt rööbiti. Iga termopaar koosneb kahest erinevast pooljuhtmaterjalist, tavaliselt vismuttelluriidi (Bi2Te3) sulamitest. Need materjalid on valitud nende kõrge Seebecki koefitsiendi ja elektrijuhtivuse ning madala soojusjuhtivuse tõttu, et maksimeerida seadme efektiivsust.
Kui TEG-i üht poolt kuumutatakse (nt kontakti kaudu inimkehaga) ja teist poolt jahutatakse (nt kokkupuutel ümbritseva õhuga), liiguvad elektronid ja augud (laengukandjad pooljuhtides) kuumalt poolelt külmale poolele. See laengukandjate liikumine tekitab iga termopaari vahel pingeerinevuse. Mitme termopaari jadaühendus võimendab seda pinget, mille tulemuseks on kasutatav elektriväljund.
TEG-i efektiivsuse määrab temperatuuride erinevus seadme eri poolte vahel ja pooljuhtide materjaliomadused. Kvaliteeditegur (ZT) on dimensioonitu parameeter, mis iseloomustab termoelektrilise materjali jõudlust. Kõrgem ZT väärtus näitab paremat termoelektrilist jõudlust. Kuigi termoelektriliste materjalide uurimisel on tehtud märkimisväärseid edusamme, on TEG-de efektiivsus endiselt suhteliselt madal, tavaliselt vahemikus 5-10%.
Kehasoojusenergiasüsteemide rakendused
Kehasoojusenergiasüsteemidel on lai valik potentsiaalseid rakendusi, eriti kantavas elektroonikas, meditsiiniseadmetes ja kaugseires. Siin on mõned peamised valdkonnad, kus seda tehnoloogiat uuritakse:
Kantav elektroonika
Üks paljulubavamaid kehasoojusenergia rakendusi on kantava elektroonika toiteks. Seadmed nagu nutikellad, aktiivsusmonitorid ja andurid vajavad pidevat toidet, tuginedes sageli patareidele, mida tuleb regulaarselt laadida või vahetada. Kehasoojusel töötavad TEG-d võivad pakkuda nendele seadmetele pidevat ja säästvat toiteallikat, välistades vajaduse patareide või sagedase laadimise järele.
Näited:
- Nutikellad: Teadlased arendavad TEG-integreeritud nutikellasid, mis suudavad koguda energiat kehasoojusest seadme toiteks, pikendades selle aku eluiga või isegi välistades vajaduse aku järele.
- Aktiivsusmonitorid: Kehasoojusel töötavad aktiivsusmonitorid saavad pidevalt jälgida elulisi näitajaid, nagu pulss, kehatemperatuur ja aktiivsuse tase, ilma et oleks vaja sagedast laadimist.
- Nutiriided: TEG-sid saab integreerida riietesse, et toita andureid ja muid elektroonilisi komponente, võimaldades pidevat tervisejälgimist ja personaalset tagasisidet. Ettevõtted nagu Q-Symphony uurivad neid integratsioone.
Meditsiiniseadmed
Kehasoojusenergiat saab kasutada ka meditsiiniseadmete toiteks, eriti siirdatavate seadmete, näiteks südamestimulaatorite ja glükoosimonitoride jaoks. Patareide vahetamine siirdatavates seadmetes nõuab operatsiooni, mis kujutab patsiendile ohtu. Kehasoojusel töötavad TEG-d võivad pakkuda nendele seadmetele pikaajalist ja usaldusväärset toiteallikat, vähendades vajadust patareide vahetamiseks ja parandades patsientide ravitulemusi.
Näited:
- Südamestimulaatorid: Teadlased töötavad välja isetoituvate südamestimulaatorite arendamisel, mis koguvad energiat kehasoojusest südamerütmi reguleerimiseks.
- Glükoosimonitorid: Kehasoojusel töötavad glükoosimonitorid saavad pidevalt jälgida veresuhkru taset ilma väliste toiteallikateta.
- Ravimimanustamissüsteemid: TEG-d võivad toita mikropumpasid ja muid siirdatavate ravimimanustamissüsteemide komponente, võimaldades täpset ja kontrollitud ravimivabastust.
Kaugseire
Kehasoojusenergiat saab kasutada kaugseire andurite toiteks erinevates rakendustes, näiteks keskkonnaseires, tööstuslikus seires ja turvasüsteemides. Need andurid töötavad sageli kaugetes või raskesti ligipääsetavates kohtades, kus patareide vahetamine on ebapraktiline. Kehasoojusel töötavad TEG-d võivad pakkuda nendele anduritele usaldusväärset ja säästvat toiteallikat, võimaldades pidevat andmete kogumist ja jälgimist.
Näited:
- Keskkonnaseire: Kehasoojusel töötavaid andureid saab paigutada kaugetesse piirkondadesse temperatuuri, niiskuse ja muude keskkonnaparameetrite jälgimiseks.
- Tööstuslik seire: TEG-d saavad toita andureid, mis jälgivad masinate ja seadmete seisukorda tööstuslikes tingimustes, võimaldades ennetavat hooldust ja vältides seadmete rikkeid.
- Turvasüsteemid: Kehasoojusel töötavaid andureid saab kasutada turvasüsteemides sissetungijate avastamiseks ja tegevuse jälgimiseks piiratud aladel.
Muud rakendused
Lisaks eespool nimetatud rakendustele uuritakse kehasoojusenergiasüsteeme ka järgmistel eesmärkidel:
- Asjade interneti (IoT) seadmed: Väikeste, madala energiatarbega IoT-seadmete toitmine, mis on üha levinumad erinevates tööstusharudes ja rakendustes.
- Hädatoide: Varutoite pakkumine hädaolukordades, näiteks loodusõnnetuste või elektrikatkestuste korral.
- Militaarrakendused: Sõdurite kantava elektroonika ja andurite toitmine side, navigeerimise ja olukorrateadlikkuse jaoks.
Väljakutsed ja piirangud
Hoolimata kehasoojusenergia potentsiaalsetest eelistest tuleb enne selle tehnoloogia laialdast kasutuselevõttu lahendada mitmeid väljakutseid ja piiranguid:
Madal efektiivsus
TEG-de efektiivsus on suhteliselt madal, tavaliselt vahemikus 5-10%. See tähendab, et ainult väike osa soojusenergiast muundatakse elektriks. TEG-de efektiivsuse parandamine on ülioluline võimsuse suurendamiseks ja kehasoojusenergiasüsteemide praktilisemaks muutmiseks.
Temperatuuride erinevus
TEG-i toodetud võimsuse hulk on proportsionaalne kuuma ja külma poole temperatuuride erinevusega. Märkimisväärse temperatuurierinevuse säilitamine võib olla keeruline, eriti kõrge ümbritseva temperatuuriga keskkondades või kui seade on kaetud riietega. Tõhus soojusjuhtimine ja isolatsioon on temperatuurierinevuse ja võimsuse maksimeerimiseks hädavajalikud.
Materjalide maksumus
TEG-des kasutatavad materjalid, näiteks vismuttelluriidi sulamid, võivad olla kallid. Nende materjalide maksumuse vähendamine on oluline kehasoojusenergiasüsteemide taskukohasemaks ja kättesaadavamaks muutmiseks. Uuringud keskenduvad uute termoelektriliste materjalide arendamisele, mis on laialdasemalt levinud ja odavamad.
Seadme suurus ja kaal
TEG-d võivad olla suhteliselt mahukad ja rasked, mis võib olla piiranguks kantavate rakenduste puhul. TEG-de miniatuursus ja kaalu vähendamine on oluline, et muuta need igapäevaseks kasutamiseks mugavamaks ja praktilisemaks. Uusi mikrotootmistehnikaid arendatakse väiksemate ja kergemate TEG-de loomiseks.
Kontakttakistus
TEG-i ja inimkeha vaheline kontakttakistus võib vähendada soojusülekande efektiivsust. Hea termilise kontakti tagamine seadme ja naha vahel on võimsuse maksimeerimiseks ülioluline. Seda on võimalik saavutada termoliidesmaterjalide kasutamise ja optimeeritud seadme disaini abil.
Vastupidavus ja töökindlus
TEG-d peavad olema vastupidavad ja töökindlad, et taluda igapäevase kasutuse raskusi. Nad peaksid taluma mehaanilist pinget, temperatuurikõikumisi ning kokkupuudet niiskuse ja higiga. Nõuetekohane kapseldamine ja pakendamine on TEG-i kaitsmiseks ja selle pikaajalise jõudluse tagamiseks hädavajalikud.
Ülemaailmsed teadus- ja arendustegevused
Üle maailma tehakse märkimisväärseid teadus- ja arendustegevusi, et ületada kehasoojusenergiasüsteemide väljakutsed ja piirangud ning avada nende täielik potentsiaal. Need jõupingutused keskenduvad järgmisele:
Termoelektriliste materjalide täiustamine
Teadlased uurivad uusi termoelektrilisi materjale, millel on kõrgemad ZT väärtused. See hõlmab uudsete sulamite, nanostruktuuride ja komposiitmaterjalide arendamist. Näiteks on Ameerika Ühendriikides Northwesterni ülikooli teadlased arendanud paindliku termoelektrilise materjali, mida saab integreerida riietesse. Euroopas koordineerib Euroopa Termoelektriline Ühing (ETS) teadusuuringuid mitmes riigis.
Seadme disaini optimeerimine
Teadlased optimeerivad TEG-de disaini, et maksimeerida soojusülekannet ja minimeerida soojuskadusid. See hõlmab täiustatud jahutusradiaatorite, mikrofluidiliste jahutussüsteemide ja uudsete seadmearhitektuuride kasutamist. Jaapanis Tokyo ülikooli teadlased on välja töötanud mikro-TEG-i, mida saab integreerida kantavatesse anduritesse. Lisaks töötavad mitmed Lõuna-Korea uurimisrühmad paindlike TEG-disainide kallal kantavate rakenduste jaoks.
Uute rakenduste arendamine
Teadlased uurivad kehasoojusenergiasüsteemide uusi rakendusi erinevates valdkondades, nagu tervishoid, keskkonnaseire ja tööstusautomaatika. See hõlmab isetoituvate meditsiiniseadmete, juhtmevabade andurite ja IoT-seadmete arendamist. Näideteks on Euroopa Komisjoni poolt rahastatud projektid programmi Horisont 2020 raames, mis keskenduvad energia kogumisele kantavate seadmete jaoks tervishoius.
Kulude vähendamine
Teadlased töötavad TEG-de kulude vähendamise nimel, kasutades laialdasemalt levinud ja odavamaid materjale ning arendades tõhusamaid tootmisprotsesse. See hõlmab lisaainete tootmistehnoloogiate, näiteks 3D-printimise kasutamist, et luua keerukate geomeetriate ja optimeeritud jõudlusega TEG-sid. Hiinas investeerib valitsus suurel määral termoelektriliste materjalide uurimisse, et vähendada sõltuvust imporditud materjalidest.
Tulevikuväljavaated
Kehasoojusenergiasüsteemide tulevik paistab paljulubav, pakkudes märkimisväärset potentsiaali kasvuks ja innovatsiooniks. Kuna termoelektrilised materjalid ja seadmetehnoloogiad jätkuvalt paranevad, eeldatakse, et kehasoojusenergia mängib üha olulisemat rolli kantava elektroonika, meditsiiniseadmete ja muude rakenduste toites. Elektroonika vähenev suurus ja maksumus koos kasvava nõudlusega isetoituvate seadmete järele soodustavad veelgi kehasoojusenergiasüsteemide kasutuselevõttu.
Peamised jälgitavad suundumused:
Kokkuvõte
Kehasoojusenergiasüsteemid on paljulubav tehnoloogia inimkeha toodetud soojusenergia rakendamiseks ja selle muundamiseks kasutatavaks elektriks. Kuigi märkimisväärsed väljakutsed püsivad, sillutavad käimasolevad teadus- ja arendustegevused teed selle tehnoloogia laiemale kasutuselevõtule erinevates rakendustes. Kuna termoelektrilised materjalid ja seadmetehnoloogiad jätkuvalt paranevad, on kehasoojusenergial potentsiaali mängida olulist rolli säästva energia ja kantava elektroonika tulevikus, millel on globaalne mõju sellele, kuidas me oma seadmeid toidame ja oma tervist jälgime.