Iskorištavanje ljudske energije: Globalni pregled sustava za proizvodnju energije iz tjelesne topline

U svijetu koji se sve više usredotočuje na održive i obnovljive izvore energije, pojavljuju se inovativne tehnologije za iskorištavanje nekonvencionalnih resursa. Jedno takvo područje koje dobiva na važnosti je energija iz tjelesne topline, poznata i kao prikupljanje ljudske energije. Ovo polje istražuje potencijal pretvaranja toplinske energije, koju ljudsko tijelo neprestano emitira, u iskoristivu električnu energiju. Ovaj članak pruža sveobuhvatan pregled sustava za proizvodnju energije iz tjelesne topline, analizirajući temeljnu tehnologiju, trenutne primjene, izazove i buduće izglede iz globalne perspektive.

Što je energija iz tjelesne topline?

Energija iz tjelesne topline odnosi se na proces hvatanja i pretvaranja toplinske energije koju proizvodi ljudsko tijelo u električnu energiju. Prosječno ljudsko tijelo u mirovanju stvara značajnu količinu topline, otprilike 100 vata, prvenstveno kroz metaboličke procese. Ta se toplina neprestano rasipa u okolinu, predstavljajući lako dostupan, iako niskokvalitetan, izvor energije.

Najčešća tehnologija koja se koristi za proizvodnju energije iz tjelesne topline je termoelektrični generator (TEG). TEG-ovi su poluvodički uređaji koji pretvaraju toplinu izravno u električnu energiju na temelju Seebeckovog efekta. Taj efekt navodi da kada postoji temperaturna razlika između dva različita električna vodiča ili poluvodiča, između njih se stvara razlika u naponu. Postavljanjem TEG-a u kontakt s ljudskim tijelom i izlaganjem druge strane hladnijem okruženju, uspostavlja se temperaturni gradijent koji stvara električnu energiju.

Kako rade termoelektrični generatori

TEG-ovi se sastoje od brojnih malih termoparova spojenih električki u seriju i toplinski u paralelu. Svaki termopar sastoji se od dva različita poluvodička materijala, obično legura bizmut telurida (Bi₂Te₃). Ovi materijali su odabrani zbog visokog Seebeckovog koeficijenta i električne vodljivosti, kao i niske toplinske vodljivosti, kako bi se maksimizirala učinkovitost uređaja.

Kada se jedna strana TEG-a zagrijava (npr. dodirom s ljudskim tijelom), a druga strana hladi (npr. izlaganjem okolnom zraku), elektroni i šupljine (nosači naboja u poluvodičima) migriraju s vruće na hladnu stranu. Ovo kretanje nosača naboja stvara razliku u naponu na svakom termoparu. Serijsko spajanje više termoparova pojačava taj napon, što rezultira iskoristivim električnim izlazom.

Učinkovitost TEG-a određena je temperaturnom razlikom na uređaju i svojstvima materijala poluvodiča. Faktor dobrote (ZT) je bezdimenzionalni parametar koji karakterizira performanse termoelektričnog materijala. Viša vrijednost ZT ukazuje na bolje termoelektrične performanse. Iako je postignut značajan napredak u istraživanju termoelektričnih materijala, učinkovitost TEG-ova ostaje relativno niska, obično u rasponu od 5-10%.

Primjene sustava za proizvodnju energije iz tjelesne topline

Sustavi za proizvodnju energije iz tjelesne topline imaju širok raspon potencijalnih primjena, posebno u nosivoj elektronici, medicinskim uređajima i daljinskom očitavanju. Evo nekih ključnih područja u kojima se ova tehnologija istražuje:

Nosiva elektronika

Jedna od najperspektivnijih primjena energije iz tjelesne topline je u napajanju nosive elektronike. Uređaji poput pametnih satova, fitness trackera i senzora zahtijevaju neprekidno napajanje, često se oslanjajući na baterije koje je potrebno redovito puniti ili mijenjati. TEG-ovi napajani tjelesnom toplinom mogu osigurati kontinuiran i održiv izvor napajanja za te uređaje, eliminirajući potrebu za baterijama ili čestim punjenjem.

Primjeri:

• Pametni satovi: Istraživači razvijaju pametne satove s integriranim TEG-ovima koji mogu prikupljati energiju iz tjelesne topline za napajanje uređaja, produžujući vijek trajanja baterije ili čak eliminirajući potrebu za baterijom.
• Fitness trackeri: Fitness trackeri napajani tjelesnom toplinom mogu neprekidno pratiti vitalne znakove poput otkucaja srca, tjelesne temperature i razine aktivnosti bez potrebe za čestim punjenjem.
• Pametna odjeća: TEG-ovi se mogu integrirati u odjeću za napajanje senzora i drugih elektroničkih komponenata, omogućujući kontinuirano praćenje zdravlja i personalizirane povratne informacije. Tvrtke poput Q-Symphony istražuju ove integracije.

Medicinski uređaji

Energija iz tjelesne topline također se može koristiti za napajanje medicinskih uređaja, posebno implantabilnih uređaja poput srčanih stimulatora i mjerača glukoze. Zamjena baterija u implantabilnim uređajima zahtijeva operaciju, što predstavlja rizik za pacijenta. TEG-ovi napajani tjelesnom toplinom mogu osigurati dugotrajan i pouzdan izvor napajanja za te uređaje, smanjujući potrebu za zamjenom baterija i poboljšavajući ishode liječenja pacijenata.

Primjeri:

• Srčani stimulatori: Istraživači rade na razvoju samonapajajućih srčanih stimulatora koji prikupljaju energiju iz tjelesne topline za regulaciju srčanog ritma.
• Mjerači glukoze: Mjerači glukoze napajani tjelesnom toplinom mogu neprekidno pratiti razinu šećera u krvi bez potrebe za vanjskim izvorima napajanja.
• Sustavi za isporuku lijekova: TEG-ovi mogu napajati mikropumpe i druge komponente implantabilnih sustava za isporuku lijekova, omogućujući precizno i kontrolirano otpuštanje lijeka.

Daljinsko očitavanje

Energija iz tjelesne topline može se koristiti za napajanje daljinskih senzora u različitim primjenama, kao što su nadzor okoliša, industrijski nadzor i sigurnosni sustavi. Ti senzori često rade na udaljenim ili teško dostupnim lokacijama gdje je zamjena baterija nepraktična. TEG-ovi napajani tjelesnom toplinom mogu osigurati pouzdan i održiv izvor napajanja za te senzore, omogućujući kontinuirano prikupljanje podataka i nadzor.

Primjeri:

• Nadzor okoliša: Senzori napajani tjelesnom toplinom mogu se postaviti u udaljenim područjima za praćenje temperature, vlažnosti i drugih parametara okoliša.
• Industrijski nadzor: TEG-ovi mogu napajati senzore koji prate stanje strojeva i opreme u industrijskim postrojenjima, omogućujući prediktivno održavanje i sprječavanje kvarova opreme.
• Sigurnosni sustavi: Senzori napajani tjelesnom toplinom mogu se koristiti u sigurnosnim sustavima za otkrivanje uljeza i praćenje aktivnosti u ograničenim područjima.

Ostale primjene

Osim gore navedenih primjena, sustavi za proizvodnju energije iz tjelesne topline također se istražuju za:

• Uređaji Interneta stvari (IoT): Napajanje malih IoT uređaja niske potrošnje koji su sveprisutni u različitim industrijama i primjenama.
• Napajanje u hitnim slučajevima: Pružanje rezervnog napajanja u hitnim situacijama, kao što su prirodne katastrofe ili prekidi napajanja.
• Vojne primjene: Napajanje elektronike i senzora koje nose vojnici za komunikaciju, navigaciju i situacijsku svijest.

Izazovi i ograničenja

Unatoč potencijalnim prednostima energije iz tjelesne topline, potrebno je riješiti nekoliko izazova i ograničenja prije nego što se ova tehnologija može široko primijeniti:

Niska učinkovitost

Učinkovitost TEG-ova je relativno niska, obično u rasponu od 5-10%. To znači da se samo mali dio toplinske energije pretvara u električnu energiju. Poboljšanje učinkovitosti TEG-ova ključno je za povećanje izlazne snage i praktičniju primjenu sustava za proizvodnju energije iz tjelesne topline.

Temperaturna razlika

Količina energije koju generira TEG proporcionalna je temperaturnoj razlici između vruće i hladne strane. Održavanje značajne temperaturne razlike može biti izazovno, posebno u okruženjima s visokim temperaturama okoline ili kada je uređaj prekriven odjećom. Učinkovito upravljanje toplinom i izolacija ključni su za maksimiziranje temperaturne razlike i izlazne snage.

Troškovi materijala

Materijali koji se koriste u TEG-ovima, kao što su legure bizmut telurida, mogu biti skupi. Smanjenje troškova ovih materijala važno je kako bi sustavi za proizvodnju energije iz tjelesne topline postali pristupačniji. Istraživanja su usmjerena na razvoj novih termoelektričnih materijala koji su dostupniji i jeftiniji.

Veličina i težina uređaja

TEG-ovi mogu biti relativno glomazni i teški, što može biti ograničenje za nosive primjene. Minijaturizacija TEG-ova i smanjenje njihove težine važno je kako bi postali udobniji i praktičniji za svakodnevnu upotrebu. Razvijaju se nove tehnike mikrofabrikacije za stvaranje manjih i lakših TEG-ova.

Kontaktni otpor

Kontaktni otpor između TEG-a i ljudskog tijela može smanjiti učinkovitost prijenosa topline. Osiguravanje dobrog toplinskog kontakta između uređaja i kože ključno je za maksimiziranje izlazne snage. To se može postići upotrebom materijala za toplinsko sučelje i optimiziranim dizajnom uređaja.

Trajnost i pouzdanost

TEG-ovi moraju biti trajni i pouzdani kako bi izdržali napore svakodnevne upotrebe. Trebali bi biti otporni na mehanički stres, temperaturne fluktuacije te izloženost vlazi i znoju. Pravilno kapsuliranje i pakiranje ključni su za zaštitu TEG-a i osiguravanje njegovih dugoročnih performansi.

Globalni napori u istraživanju i razvoju

Diljem svijeta ulažu se značajni napori u istraživanje i razvoj kako bi se prevladali izazovi i ograničenja sustava za proizvodnju energije iz tjelesne topline i otključao njihov puni potencijal. Ti su napori usmjereni na:

Poboljšanje termoelektričnih materijala

Istraživači istražuju nove termoelektrične materijale s višim vrijednostima ZT. To uključuje razvoj novih legura, nanostruktura i kompozitnih materijala. Na primjer, znanstvenici sa Sveučilišta Northwestern u Sjedinjenim Državama razvili su fleksibilan termoelektrični materijal koji se može integrirati u odjeću. U Europi, Europsko termoelektrično društvo (ETS) koordinira istraživačke napore u više zemalja.

Optimizacija dizajna uređaja

Istraživači optimiziraju dizajn TEG-ova kako bi se maksimizirao prijenos topline i minimizirali toplinski gubici. To uključuje upotrebu naprednih hladnjaka, mikrofluidnih rashladnih sustava i novih arhitektura uređaja. Istraživači sa Sveučilišta u Tokiju u Japanu razvili su mikro-TEG koji se može integrirati u nosive senzore. Nadalje, različiti istraživački timovi u Južnoj Koreji rade na fleksibilnim dizajnima TEG-ova za nosive primjene.

Razvoj novih primjena

Istraživači istražuju nove primjene za sustave za proizvodnju energije iz tjelesne topline u različitim područjima, kao što su zdravstvo, nadzor okoliša i industrijska automatizacija. To uključuje razvoj samonapajajućih medicinskih uređaja, bežičnih senzora i IoT uređaja. Primjeri uključuju projekte koje financira Europska komisija u okviru programa Horizon 2020, usmjerene na prikupljanje energije za nosive uređaje u zdravstvu.

Smanjenje troškova

Istraživači rade na smanjenju troškova TEG-ova korištenjem dostupnijih i jeftinijih materijala te razvojem učinkovitijih proizvodnih procesa. To uključuje upotrebu tehnika aditivne proizvodnje, poput 3D ispisa, za stvaranje TEG-ova sa složenim geometrijama i optimiziranim performansama. U Kini, vlada snažno ulaže u istraživanje termoelektričnih materijala kako bi smanjila ovisnost o uvoznim materijalima.

Budući izgledi

Budućnost sustava za proizvodnju energije iz tjelesne topline izgleda obećavajuće, sa značajnim potencijalom za rast i inovacije. Kako se termoelektrični materijali i tehnologije uređaja nastavljaju poboljšavati, očekuje se da će energija iz tjelesne topline igrati sve važniju ulogu u napajanju nosive elektronike, medicinskih uređaja i drugih primjena. Smanjenje veličine i troškova elektronike u kombinaciji s rastućom potražnjom za samonapajajućim uređajima dodatno će potaknuti usvajanje sustava za proizvodnju energije iz tjelesne topline.

Ključni trendovi za pratiti:

• Napredni termoelektrični materijali: Nastavak razvoja visokoučinkovitih termoelektričnih materijala s poboljšanim ZT vrijednostima i smanjenim troškovima.
• Fleksibilni i rastezljivi TEG-ovi: Razvoj TEG-ova koji se mogu prilagoditi obliku ljudskog tijela i izdržati mehanički stres.
• Integracija s nosivim uređajima: Besprijekorna integracija TEG-ova u odjeću, dodatke i druge nosive uređaje.
• Samonapajajući medicinski uređaji: Razvoj implantabilnih i nosivih medicinskih uređaja koji se napajaju tjelesnom toplinom, smanjujući potrebu za zamjenom baterija.
• IoT primjene: Široka primjena senzora i uređaja napajanih tjelesnom toplinom u IoT aplikacijama.

Zaključak

Sustavi za proizvodnju energije iz tjelesne topline predstavljaju obećavajuću tehnologiju za iskorištavanje toplinske energije koju proizvodi ljudsko tijelo i njezinu pretvorbu u iskoristivu električnu energiju. Iako i dalje postoje značajni izazovi, kontinuirani napori u istraživanju i razvoju utiru put široj primjeni ove tehnologije u različitim područjima. Kako se termoelektrični materijali i tehnologije uređaja nastavljaju poboljšavati, energija iz tjelesne topline ima potencijal odigrati značajnu ulogu u budućnosti održive energije i nosive elektronike, s globalnim implikacijama na način na koji napajamo svoje uređaje i pratimo svoje zdravlje.