Žmogaus energijos panaudojimas: pasaulinė kūno šilumos energijos sistemų apžvalga

Pasaulyje, vis labiau orientuotame į tvarius ir atsinaujinančius energijos šaltinius, atsiranda naujoviškų technologijų, skirtų panaudoti netradicinius išteklius. Viena iš tokių populiarėjančių sričių yra kūno šilumos energija, taip pat žinoma kaip žmogaus energijos surinkimas. Ši sritis tiria galimybes paversti žmogaus kūno nuolat išskiriamą šiluminę energiją į naudingą elektros energiją. Šiame straipsnyje pateikiama išsami kūno šilumos energijos sistemų apžvalga, nagrinėjant pagrindinę technologiją, dabartinius pritaikymus, iššūkius ir ateities perspektyvas pasauliniu mastu.

Kas yra kūno šilumos energija?

Kūno šilumos energija – tai procesas, kurio metu surenkama ir konvertuojama žmogaus kūno pagaminta šiluminė energija į elektrą. Vidutiniškai žmogaus kūnas ramybės būsenoje generuoja nemažą šilumos kiekį, maždaug 100 vatų, daugiausia dėl medžiagų apykaitos procesų. Ši šiluma nuolat išsisklaido į aplinką ir yra lengvai prieinamas, nors ir žemos kokybės, energijos šaltinis.

Dažniausiai kūno šilumos energijai gaminti naudojama technologija yra termoelektrinis generatorius (TEG). TEG yra kietojo kūno įrenginiai, kurie, remdamiesi Zėbeko efektu, šilumą tiesiogiai paverčia elektra. Šis efektas teigia, kad kai tarp dviejų skirtingų elektros laidininkų ar puslaidininkių atsiranda temperatūrų skirtumas, tarp jų susidaro įtampos skirtumas. Pridėjus TEG prie žmogaus kūno, o kitą jo pusę palikus vėsesnėje aplinkoje, sukuriamas temperatūros gradientas, kuris generuoja elektrą.

Kaip veikia termoelektriniai generatoriai

TEG sudaro daugybė mažų termoporų, sujungtų elektriškai nuosekliai ir termiškai lygiagrečiai. Kiekviena termopora sudaryta iš dviejų skirtingų puslaidininkinių medžiagų, dažniausiai bismuto telurido (Bi₂Te₃) lydinių. Šios medžiagos pasirenkamos dėl didelio Zėbeko koeficiento ir elektrinio laidumo, taip pat dėl mažo šilumos laidumo, siekiant maksimaliai padidinti prietaiso efektyvumą.

Kai viena TEG pusė yra kaitinama (pvz., liečiantis su žmogaus kūnu), o kita vėsinama (pvz., veikiant aplinkos orui), elektronai ir skylės (krūvininkai puslaidininkiuose) migruoja iš karštosios pusės į šaltąją. Šis krūvininkų judėjimas sukuria įtampos skirtumą kiekvienoje termoporoje. Nuoseklus kelių termoporų sujungimas padidina šią įtampą, todėl gaunama naudinga elektros srovė.

TEG efektyvumą lemia temperatūros skirtumas tarp prietaiso pusių ir puslaidininkių medžiagų savybės. Naudingumo koeficientas (ZT) yra bematis parametras, apibūdinantis termoelektrinės medžiagos našumą. Didesnė ZT vertė rodo geresnį termoelektrinį našumą. Nors termoelektrinių medžiagų tyrimų srityje padaryta didelė pažanga, TEG efektyvumas išlieka palyginti žemas, paprastai 5-10 %.

Kūno šilumos energijos sistemų pritaikymas

Kūno šilumos energijos sistemos turi platų potencialių pritaikymų spektrą, ypač dėvimojoje elektronikoje, medicinos prietaisuose ir nuotoliniame stebėjime. Štai keletas pagrindinių sričių, kuriose ši technologija yra tiriama:

Dėvimoji elektronika

Vienas iš perspektyviausių kūno šilumos energijos pritaikymų yra dėvimosios elektronikos maitinimas. Tokiems prietaisams kaip išmanieji laikrodžiai, fizinio aktyvumo stebėjimo prietaisai ir jutikliai reikalingas nuolatinis maitinimas, dažnai priklausantis nuo baterijų, kurias reikia reguliariai įkrauti arba keisti. Kūno šiluma maitinami TEG gali užtikrinti nuolatinį ir tvarų energijos šaltinį šiems prietaisams, todėl nebereikės baterijų ar dažno įkrovimo.

Pavyzdžiai:

• Išmanieji laikrodžiai: Mokslininkai kuria išmaniuosius laikrodžius su integruotais TEG, kurie gali surinkti energiją iš kūno šilumos ir taip maitinti prietaisą, prailgindami jo baterijos veikimo laiką ar net visiškai pašalindami baterijos poreikį.
• Fizinio aktyvumo stebėjimo prietaisai: Kūno šiluma maitinami fizinio aktyvumo stebėjimo prietaisai gali nuolat stebėti gyvybinius rodiklius, tokius kaip širdies ritmas, kūno temperatūra ir aktyvumo lygis, nereikalaujant dažno įkrovimo.
• Išmanioji apranga: TEG gali būti integruoti į drabužius, kad maitintų jutiklius ir kitus elektroninius komponentus, taip užtikrinant nuolatinį sveikatos stebėjimą ir asmeninį grįžtamąjį ryšį. Tokias integracijas tiria įmonės, pavyzdžiui, „Q-Symphony“.

Medicinos prietaisai

Kūno šilumos energija taip pat gali būti naudojama medicinos prietaisams, ypač implantuojamiems, pavyzdžiui, širdies stimuliatoriams ir gliukozės matuokliams, maitinti. Baterijų keitimas implantuojamuose prietaisuose reikalauja chirurginės operacijos, kuri kelia pavojų pacientui. Kūno šiluma maitinami TEG gali užtikrinti ilgaamžį ir patikimą energijos šaltinį šiems prietaisams, sumažinant baterijų keitimo poreikį ir gerinant pacientų būklę.

Pavyzdžiai:

• Širdies stimuliatoriai: Mokslininkai kuria savarankiškai maitinamus širdies stimuliatorius, kurie surenka energiją iš kūno šilumos, kad reguliuotų širdies ritmą.
• Gliukozės matuokliai: Kūno šiluma maitinami gliukozės matuokliai gali nuolat stebėti cukraus kiekį kraujyje, nereikalaudami išorinių energijos šaltinių.
• Vaistų tiekimo sistemos: TEG gali maitinti mikros насосы ir kitus implantuojamų vaistų tiekimo sistemų komponentus, leidžiančius tiksliai ir kontroliuojamai tiekti vaistus.

Nuotolinis stebėjimas

Kūno šilumos energija gali būti naudojama nuotoliniams jutikliams maitinti įvairiose srityse, pavyzdžiui, aplinkos stebėjimo, pramoninio stebėjimo ir saugumo sistemose. Šie jutikliai dažnai veikia atokiose arba sunkiai pasiekiamose vietose, kur baterijų keitimas yra nepraktiškas. Kūno šiluma maitinami TEG gali užtikrinti patikimą ir tvarų energijos šaltinį šiems jutikliams, leidžiantį nuolat rinkti duomenis ir juos stebėti.

Pavyzdžiai:

• Aplinkos stebėjimas: Kūno šiluma maitinami jutikliai gali būti įdiegti atokiose vietovėse, siekiant stebėti temperatūrą, drėgmę ir kitus aplinkos parametrus.
• Pramoninis stebėjimas: TEG gali maitinti jutiklius, kurie stebi mašinų ir įrangos būklę pramoninėse aplinkose, leidžiant atlikti nuspėjamąją techninę priežiūrą ir išvengti įrangos gedimų.
• Saugumo sistemos: Kūno šiluma maitinami jutikliai gali būti naudojami saugumo sistemose, siekiant aptikti įsibrovėlius ir stebėti veiklą riboto patekimo zonose.

Kiti pritaikymai

Be anksčiau minėtų pritaikymų, kūno šilumos energijos sistemos taip pat tiriamos šiose srityse:

• Daiktų interneto (DI) prietaisai: Maitinant mažus, mažai energijos vartojančius DI prietaisus, kurie vis labiau plinta įvairiose pramonės šakose ir srityse.
• Avarinis maitinimas: Teikiant atsarginį maitinimą ekstremaliose situacijose, pavyzdžiui, stichinių nelaimių ar elektros energijos tiekimo sutrikimų metu.
• Kariniai pritaikymai: Maitinant karių dėvimą elektroniką ir jutiklius ryšiui, navigacijai ir situacijos suvokimui.

Iššūkiai ir apribojimai

Nepaisant galimų kūno šilumos energijos privalumų, prieš plačiai pritaikant šią technologiją, reikia išspręsti keletą iššūkių ir apribojimų:

Mažas efektyvumas

TEG efektyvumas yra palyginti žemas, paprastai 5-10 %. Tai reiškia, kad tik nedidelė šilumos energijos dalis paverčiama elektra. TEG efektyvumo didinimas yra labai svarbus norint padidinti energijos išeigą ir padaryti kūno šilumos energijos sistemas praktiškesnes.

Temperatūrų skirtumas

TEG pagamintos energijos kiekis yra proporcingas temperatūrų skirtumui tarp karštosios ir šaltosios pusių. Išlaikyti didelį temperatūrų skirtumą gali būti sudėtinga, ypač aplinkoje, kurioje aukšta aplinkos temperatūra, arba kai prietaisas yra uždengtas drabužiais. Efektyvus šilumos valdymas ir izoliacija yra būtini norint maksimaliai padidinti temperatūrų skirtumą ir energijos išeigą.

Medžiagų kaina

TEG naudojamos medžiagos, pavyzdžiui, bismuto telurido lydiniai, gali būti brangios. Šių medžiagų kainos mažinimas yra svarbus, kad kūno šilumos energijos sistemos taptų prieinamesnės. Tyrimai sutelkti į naujų termoelektrinių medžiagų, kurios būtų labiau paplitusios ir pigesnės, kūrimą.

Prietaiso dydis ir svoris

TEG gali būti palyginti dideli ir sunkūs, o tai gali būti apribojimas dėvimiesiems prietaisams. TEG miniatiūrizavimas ir jų svorio mažinimas yra svarbūs, kad jie taptų patogesni ir praktiškesni kasdieniam naudojimui. Kuriamos naujos mikro gamybos technologijos, siekiant sukurti mažesnius ir lengvesnius TEG.

Kontaktinė varža

Kontaktinė varža tarp TEG ir žmogaus kūno gali sumažinti šilumos perdavimo efektyvumą. Norint maksimaliai padidinti energijos išeigą, labai svarbu užtikrinti gerą šiluminį kontaktą tarp prietaiso ir odos. Tai galima pasiekti naudojant šiluminės sąsajos medžiagas ir optimizuotą prietaiso dizainą.

Patvarumas ir patikimumas

TEG turi būti patvarūs ir patikimi, kad atlaikytų kasdienio naudojimo sunkumus. Jie turėtų toleruoti mechaninį įtempį, temperatūros svyravimus ir sąlytį su drėgme bei prakaitu. Tinkamas kapsuliavimas ir pakuotė yra būtini norint apsaugoti TEG ir užtikrinti jo ilgalaikį veikimą.

Pasaulinės mokslinių tyrimų ir plėtros pastangos

Visame pasaulyje dedamos didelės mokslinių tyrimų ir plėtros pastangos, siekiant įveikti kūno šilumos energijos sistemų iššūkius ir apribojimus bei atskleisti visą jų potencialą. Šios pastangos sutelktos į:

Termoelektrinių medžiagų tobulinimą

Mokslininkai tiria naujas termoelektrines medžiagas su didesnėmis ZT vertėmis. Tai apima naujų lydinių, nanostruktūrų ir kompozicinių medžiagų kūrimą. Pavyzdžiui, mokslininkai iš Šiaurės Vakarų universiteto Jungtinėse Amerikos Valstijose sukūrė lanksčią termoelektrinę medžiagą, kurią galima integruoti į drabužius. Europoje Europos termoelektros draugija (ETS) koordinuoja mokslinių tyrimų pastangas keliose šalyse.

Prietaisų dizaino optimizavimą

Mokslininkai optimizuoja TEG dizainą, siekdami maksimaliai padidinti šilumos perdavimą ir sumažinti šilumos nuostolius. Tai apima pažangių šilumnešių, mikro skysčių aušinimo sistemų ir naujoviškų prietaisų architektūrų naudojimą. Mokslininkai iš Tokijo universiteto Japonijoje sukūrė mikro-TEG, kurį galima integruoti į dėvimuosius jutiklius. Be to, įvairios tyrimų grupės Pietų Korėjoje kuria lanksčius TEG dizainus, skirtus dėvimiesiems pritaikymams.

Naujų pritaikymų kūrimą

Mokslininkai tiria naujus kūno šilumos energijos sistemų pritaikymus įvairiose srityse, tokiose kaip sveikatos apsauga, aplinkos stebėjimas ir pramoninė automatizacija. Tai apima savarankiškai maitinamų medicinos prietaisų, belaidžių jutiklių ir DI prietaisų kūrimą. Pavyzdžiai apima projektus, finansuojamus Europos Komisijos pagal programą „Horizontas 2020“, kuriuose daugiausia dėmesio skiriama energijos surinkimui dėvimiesiems prietaisams sveikatos apsaugos srityje.

Išlaidų mažinimą

Mokslininkai stengiasi sumažinti TEG kainą, naudodami labiau paplitusias ir pigesnes medžiagas bei kurdami efektyvesnius gamybos procesus. Tai apima adityviosios gamybos metodų, tokių kaip 3D spausdinimas, naudojimą, siekiant sukurti sudėtingos geometrijos ir optimizuoto našumo TEG. Kinijoje vyriausybė daug investuoja į termoelektrinių medžiagų tyrimus, siekdama sumažinti priklausomybę nuo importuojamų medžiagų.

Ateities perspektyvos

Kūno šilumos energijos sistemų ateitis atrodo daug žadanti, su dideliu augimo ir inovacijų potencialu. Tobulėjant termoelektrinėms medžiagoms ir prietaisų technologijoms, tikimasi, kad kūno šilumos energija vaidins vis svarbesnį vaidmenį maitinant dėvimąją elektroniką, medicinos prietaisus ir kitus pritaikymus. Mažėjantis elektronikos dydis ir kaina kartu su didėjančia savarankiškai maitinamų prietaisų paklausa dar labiau paskatins kūno šilumos energijos sistemų pritaikymą.

Pagrindinės tendencijos, kurias verta stebėti:

• Pažangios termoelektrinės medžiagos: Tolesnis aukštos kokybės termoelektrinių medžiagų, turinčių geresnes ZT vertes ir mažesnes išlaidas, kūrimas.
• Lankstūs ir tamprūs TEG: TEG, galinčių prisitaikyti prie žmogaus kūno formos ir atlaikyti mechaninį įtempį, kūrimas.
• Integracija su dėvimaisiais prietaisais: Sklandi TEG integracija į drabužius, aksesuarus ir kitus dėvimuosius prietaisus.
• Savarankiškai maitinami medicinos prietaisai: Implantuojamų ir dėvimų medicinos prietaisų, maitinamų kūno šiluma, kūrimas, mažinant baterijų keitimo poreikį.
• DI pritaikymai: Plataus masto kūno šiluma maitinamų jutiklių ir prietaisų diegimas DI srityse.

Išvada

Kūno šilumos energijos sistemos yra perspektyvi technologija, skirta panaudoti žmogaus kūno gaminamą šiluminę energiją ir paversti ją naudinga elektra. Nors išlieka didelių iššūkių, nuolatinės mokslinių tyrimų ir plėtros pastangos atveria kelią platesniam šios technologijos pritaikymui įvairiose srityse. Tobulėjant termoelektrinėms medžiagoms ir prietaisų technologijoms, kūno šilumos energija gali atlikti svarbų vaidmenį tvarios energijos ir dėvimosios elektronikos ateityje, turėdama pasaulinę reikšmę tam, kaip mes maitiname savo prietaisus ir stebime savo sveikatą.