Cilvēka enerģijas izmantošana: globāls pārskats par ķermeņa siltuma energosistēmām

Pasaulē, kas arvien vairāk koncentrējas uz ilgtspējīgiem un atjaunojamiem enerģijas avotiem, parādās inovatīvas tehnoloģijas, lai izmantotu netradicionālus resursus. Viena no šādām jomām, kas gūst popularitāti, ir ķermeņa siltuma enerģija, pazīstama arī kā cilvēka enerģijas ieguve. Šī joma pēta potenciālu pārvērst siltumenerģiju, ko pastāvīgi izdala cilvēka ķermenis, izmantojamā elektriskajā jaudā. Šis raksts sniedz visaptverošu pārskatu par ķermeņa siltuma energosistēmām, aplūkojot pamatā esošo tehnoloģiju, pašreizējos pielietojumus, izaicinājumus un nākotnes perspektīvas no globālā viedokļa.

Kas ir ķermeņa siltuma enerģija?

Ķermeņa siltuma enerģija ir process, kurā tiek uztverta un pārvērsta cilvēka ķermeņa radītā siltumenerģija elektrībā. Vidusmēra cilvēka ķermenis miera stāvoklī rada ievērojamu siltuma daudzumu, aptuveni 100 vatus, galvenokārt metabolisko procesu rezultātā. Šis siltums nepārtraukti izkliedējas apkārtējā vidē, veidojot viegli pieejamu, lai arī zemas kvalitātes, enerģijas avotu.

Visizplatītākā tehnoloģija ķermeņa siltuma enerģijas ražošanai ir termoelektriskais ģenerators (TEĢ). TEĢ ir cietvielu ierīces, kas tieši pārvērš siltumu elektrībā, pamatojoties uz Zēbeka efektu. Šis efekts nosaka, ka, ja starp diviem dažādiem elektriskajiem vadītājiem vai pusvadītājiem pastāv temperatūras starpība, starp tiem rodas sprieguma starpība. Novietojot TEĢ saskarē ar cilvēka ķermeni un pakļaujot otru pusi vēsākai videi, tiek izveidots temperatūras gradients, kas ģenerē elektrību.

Kā darbojas termoelektriskie ģeneratori

TEĢ sastāv no daudziem maziem termopāriem, kas elektriski savienoti virknē un termiski paralēli. Katrs termopāris sastāv no diviem dažādiem pusvadītāju materiāliem, parasti bismuta telurīda (Bi₂Te₃) sakausējumiem. Šie materiāli tiek izvēlēti to augstā Zēbeka koeficienta un elektriskās vadītspējas, kā arī zemās siltumvadītspējas dēļ, lai maksimizētu ierīces efektivitāti.

Kad viena TEĢ puse tiek uzsildīta (piem., saskaroties ar cilvēka ķermeni) un otra puse tiek atdzesēta (piem., saskaroties ar apkārtējo gaisu), elektroni un caurumi (lādiņnesēji pusvadītājos) migrē no karstās puses uz auksto. Šī lādiņnesēju kustība rada sprieguma starpību katrā termopārī. Vairāku termopāru virknes slēgums pastiprina šo spriegumu, radot izmantojamu elektrisko jaudu.

TEĢ efektivitāti nosaka temperatūras starpība starp ierīces pusēm un pusvadītāju materiālu īpašības. Kvalitātes koeficients (ZT) ir bezdimensiju parametrs, kas raksturo termoelektriskā materiāla veiktspēju. Augstāka ZT vērtība norāda uz labāku termoelektrisko veiktspēju. Lai gan termoelektrisko materiālu pētniecībā ir panākts ievērojams progress, TEĢ efektivitāte joprojām ir salīdzinoši zema, parasti 5-10% robežās.

Ķermeņa siltuma energosistēmu pielietojumi

Ķermeņa siltuma energosistēmām ir plašs potenciālo pielietojumu klāsts, īpaši valkājamajā elektronikā, medicīnas ierīcēs un attālajā sensorēšanā. Šeit ir dažas galvenās jomas, kurās šī tehnoloģija tiek pētīta:

Valkājamā elektronika

Viens no daudzsološākajiem ķermeņa siltuma enerģijas pielietojumiem ir valkājamās elektronikas barošanā. Tādām ierīcēm kā viedpulksteņi, fitnesa trekeri un sensori nepieciešama nepārtraukta barošana, bieži vien paļaujoties uz baterijām, kas regulāri jāuzlādē vai jānomaina. Ar ķermeņa siltumu darbināmi TEĢ var nodrošināt nepārtrauktu un ilgtspējīgu barošanas avotu šīm ierīcēm, novēršot nepieciešamību pēc baterijām vai biežas uzlādes.

Piemēri:

• Viedpulksteņi: Pētnieki izstrādā viedpulksteņus ar integrētiem TEĢ, kas var iegūt enerģiju no ķermeņa siltuma, lai darbinātu ierīci, pagarinot tās baterijas darbības laiku vai pat pilnībā novēršot nepieciešamību pēc baterijas.
• Fitnesa trekeri: Ar ķermeņa siltumu darbināmi fitnesa trekeri var nepārtraukti uzraudzīt vitālos rādītājus, piemēram, sirdsdarbības ātrumu, ķermeņa temperatūru un aktivitātes līmeni, neprasot biežu uzlādi.
• Viedais apģērbs: TEĢ var integrēt apģērbā, lai barotu sensorus un citas elektroniskās komponentes, nodrošinot nepārtrauktu veselības uzraudzību un personalizētu atgriezenisko saiti. Uzņēmumi, piemēram, Q-Symphony, pēta šādas integrācijas iespējas.

Medicīnas ierīces

Ķermeņa siltuma enerģiju var izmantot arī medicīnas ierīču, īpaši implantējamu ierīču, piemēram, sirds stimulatoru un glikozes monitoru, barošanai. Bateriju nomaiņa implantējamās ierīcēs prasa ķirurģisku iejaukšanos, kas rada riskus pacientam. Ar ķermeņa siltumu darbināmi TEĢ var nodrošināt ilgstošu un uzticamu barošanas avotu šīm ierīcēm, samazinot nepieciešamību pēc bateriju nomaiņas un uzlabojot pacientu rezultātus.

Piemēri:

• Sirds stimulatori: Pētnieki strādā pie pašbarojošu sirds stimulatoru izstrādes, kas iegūst enerģiju no ķermeņa siltuma, lai regulētu sirds ritmu.
• Glikozes monitori: Ar ķermeņa siltumu darbināmi glikozes monitori var nepārtraukti sekot līdzi cukura līmenim asinīs, neprasot ārējus barošanas avotus.
• Zāļu piegādes sistēmas: TEĢ var barot mikrosūkņus un citas implantējamu zāļu piegādes sistēmu komponentes, nodrošinot precīzu un kontrolētu zāļu izdalīšanos.

Attālā sensorēšana

Ķermeņa siltuma enerģiju var izmantot, lai barotu attālos sensorus dažādos pielietojumos, piemēram, vides monitoringā, industriālajā monitoringā un drošības sistēmās. Šie sensori bieži darbojas attālās vai grūti pieejamās vietās, kur bateriju nomaiņa ir nepraktiska. Ar ķermeņa siltumu darbināmi TEĢ var nodrošināt uzticamu un ilgtspējīgu barošanas avotu šiem sensoriem, nodrošinot nepārtrauktu datu vākšanu un monitoringu.

Piemēri:

• Vides monitorings: Ar ķermeņa siltumu darbināmus sensorus var izvietot attālos apgabalos, lai uzraudzītu temperatūru, mitrumu un citus vides parametrus.
• Industriālais monitorings: TEĢ var barot sensorus, kas uzrauga mašīnu un iekārtu stāvokli industriālos apstākļos, nodrošinot paredzamo apkopi un novēršot iekārtu bojājumus.
• Drošības sistēmas: Ar ķermeņa siltumu darbināmus sensorus var izmantot drošības sistēmās, lai atklātu iebrucējus un uzraudzītu aktivitāti ierobežotās zonās.

Citi pielietojumi

Papildus iepriekš minētajiem pielietojumiem, ķermeņa siltuma energosistēmas tiek pētītas arī šādās jomās:

• Lietu interneta (IoT) ierīces: Mazu, mazjaudīgu IoT ierīču barošana, kuras kļūst arvien izplatītākas dažādās nozarēs un pielietojumos.
• Avārijas enerģija: Rezerves enerģijas nodrošināšana ārkārtas situācijās, piemēram, dabas katastrofu vai strāvas padeves pārtraukumu laikā.
• Militārie pielietojumi: Karavīru valkājamās elektronikas un sensoru barošana komunikācijai, navigācijai un situācijas apzināšanai.

Izaicinājumi un ierobežojumi

Neskatoties uz ķermeņa siltuma enerģijas potenciālajiem ieguvumiem, ir jārisina vairāki izaicinājumi un ierobežojumi, pirms šī tehnoloģija var tikt plaši ieviesta:

Zema efektivitāte

TEĢ efektivitāte ir salīdzinoši zema, parasti 5-10% robežās. Tas nozīmē, ka tikai neliela daļa siltumenerģijas tiek pārvērsta elektrībā. TEĢ efektivitātes uzlabošana ir izšķiroša, lai palielinātu jaudas izvadi un padarītu ķermeņa siltuma energosistēmas praktiskākas.

Temperatūras starpība

TEĢ radītās jaudas daudzums ir proporcionāls temperatūras starpībai starp karsto un auksto pusi. Ievērojamas temperatūras starpības uzturēšana var būt izaicinājums, īpaši vidēs ar augstu apkārtējās vides temperatūru vai kad ierīci sedz apģērbs. Efektīva siltuma pārvaldība un izolācija ir būtiska, lai maksimizētu temperatūras starpību un jaudas izvadi.

Materiālu izmaksas

TEĢ izmantotie materiāli, piemēram, bismuta telurīda sakausējumi, var būt dārgi. Šo materiālu izmaksu samazināšana ir svarīga, lai padarītu ķermeņa siltuma energosistēmas pieejamākas. Pētījumi ir vērsti uz jaunu termoelektrisko materiālu izstrādi, kas ir plašāk pieejami un lētāki.

Ierīces izmērs un svars

TEĢ var būt salīdzinoši apjomīgi un smagi, kas var būt ierobežojums valkājamiem pielietojumiem. TEĢ miniaturizācija un to svara samazināšana ir svarīga, lai padarītu tos ērtākus un praktiskākus ikdienas lietošanai. Tiek izstrādātas jaunas mikrofabrikācijas metodes, lai radītu mazākus un vieglākus TEĢ.

Kontakta pretestība

Kontakta pretestība starp TEĢ un cilvēka ķermeni var samazināt siltuma pārneses efektivitāti. Labas termiskās saskares nodrošināšana starp ierīci un ādu ir izšķiroša, lai maksimizētu jaudas izvadi. To var panākt, izmantojot termiskās saskarnes materiālus un optimizētu ierīces dizainu.

Izturība un uzticamība

TEĢ jābūt izturīgiem un uzticamiem, lai izturētu ikdienas lietošanas grūtības. Tiem jāspēj izturēt mehānisko spriegumu, temperatūras svārstības un saskari ar mitrumu un sviedriem. Pareiza iekapsulēšana un iepakojums ir būtiski, lai aizsargātu TEĢ un nodrošinātu tā ilgtermiņa veiktspēju.

Globālie pētniecības un attīstības centieni

Visā pasaulē notiek ievērojami pētniecības un attīstības centieni, lai pārvarētu ķermeņa siltuma energosistēmu izaicinājumus un ierobežojumus un atraisītu to pilno potenciālu. Šie centieni ir vērsti uz:

Termoelektrisko materiālu uzlabošana

Pētnieki pēta jaunus termoelektriskos materiālus ar augstākām ZT vērtībām. Tas ietver jaunu sakausējumu, nanostruktūru un kompozītmateriālu izstrādi. Piemēram, zinātnieki Ziemeļrietumu Universitātē Amerikas Savienotajās Valstīs ir izstrādājuši elastīgu termoelektrisko materiālu, ko var integrēt apģērbā. Eiropā Eiropas Termoelektrības Biedrība (ETS) koordinē pētniecības centienus vairākās valstīs.

Ierīču dizaina optimizēšana

Pētnieki optimizē TEĢ dizainu, lai maksimizētu siltuma pārnesi un minimizētu siltuma zudumus. Tas ietver modernu siltuma novadītāju, mikrofluidikas dzesēšanas sistēmu un jaunu ierīču arhitektūru izmantošanu. Pētnieki Tokijas Universitātē Japānā ir izstrādājuši mikro-TEĢ, ko var integrēt valkājamos sensoros. Turklāt dažādas pētniecības grupas Dienvidkorejā strādā pie elastīgu TEĢ dizainu izstrādes valkājamiem pielietojumiem.

Jaunu pielietojumu izstrāde

Pētnieki pēta jaunus pielietojumus ķermeņa siltuma energosistēmām dažādās jomās, piemēram, veselības aprūpē, vides monitoringā un industriālajā automatizācijā. Tas ietver pašbarojošu medicīnas ierīču, bezvadu sensoru un IoT ierīču izstrādi. Piemēri ietver projektus, ko finansē Eiropas Komisija programmas "Apvārsnis 2020" ietvaros, koncentrējoties uz enerģijas ieguvi valkājamām ierīcēm veselības aprūpē.

Izmaksu samazināšana

Pētnieki strādā pie TEĢ izmaksu samazināšanas, izmantojot plašāk pieejamus un lētākus materiālus un izstrādājot efektīvākus ražošanas procesus. Tas ietver aditīvās ražošanas metožu, piemēram, 3D drukāšanas, izmantošanu, lai radītu TEĢ ar sarežģītām ģeometrijām un optimizētu veiktspēju. Ķīnā valdība intensīvi investē termoelektrisko materiālu pētniecībā, lai samazinātu atkarību no importētiem materiāliem.

Nākotnes perspektīvas

Ķermeņa siltuma energosistēmu nākotne izskatās daudzsološa, ar ievērojamu izaugsmes un inovāciju potenciālu. Tā kā termoelektrisko materiālu un ierīču tehnoloģijas turpina uzlaboties, sagaidāms, ka ķermeņa siltuma enerģijai būs arvien svarīgāka loma valkājamās elektronikas, medicīnas ierīču un citu pielietojumu barošanā. Elektronikas izmēru un izmaksu samazināšanās apvienojumā ar pieaugošo pieprasījumu pēc pašbarojošām ierīcēm vēl vairāk veicinās ķermeņa siltuma energosistēmu ieviešanu.

Galvenās tendences, kurām sekot:

• Uzlaboti termoelektriskie materiāli: Nepārtraukta augstas veiktspējas termoelektrisko materiālu izstrāde ar uzlabotām ZT vērtībām un samazinātām izmaksām.
• Elastīgi un staipīgi TEĢ: TEĢ izstrāde, kas var pielāgoties cilvēka ķermeņa formai un izturēt mehānisko spriegumu.
• Integrācija ar valkājamām ierīcēm: Nemanāma TEĢ integrācija apģērbā, aksesuāros un citās valkājamās ierīcēs.
• Pašbarojošas medicīnas ierīces: Implantējamu un valkājamu medicīnas ierīču izstrāde, kuras darbina ķermeņa siltums, samazinot nepieciešamību pēc bateriju nomaiņas.
• IoT pielietojumi: Plaša mēroga ar ķermeņa siltumu darbināmu sensoru un ierīču izvietošana IoT pielietojumos.

Noslēgums

Ķermeņa siltuma energosistēmas ir daudzsološa tehnoloģija, kas ļauj izmantot cilvēka ķermeņa radīto siltumenerģiju un pārvērst to lietojamā elektrībā. Lai gan joprojām pastāv ievērojami izaicinājumi, notiekošie pētniecības un attīstības centieni paver ceļu plašākai šīs tehnoloģijas ieviešanai dažādos pielietojumos. Tā kā termoelektrisko materiālu un ierīču tehnoloģijas turpina uzlaboties, ķermeņa siltuma enerģijai ir potenciāls spēlēt nozīmīgu lomu ilgtspējīgas enerģijas un valkājamās elektronikas nākotnē ar globālu ietekmi uz to, kā mēs barojam savas ierīces un uzraugām savu veselību.