Valorificarea energiei umane: o privire globală asupra sistemelor de alimentare bazate pe căldura corporală

Într-o lume tot mai concentrată pe sursele de energie sustenabilă și regenerabilă, tehnologii inovatoare apar pentru a exploata resurse neconvenționale. Un astfel de domeniu care câștigă teren este energia din căldura corporală, cunoscută și sub numele de recoltarea energiei umane. Acest domeniu explorează potențialul de a converti energia termică emisă constant de corpul uman în energie electrică utilizabilă. Acest articol oferă o imagine de ansamblu cuprinzătoare a sistemelor de alimentare bazate pe căldura corporală, examinând tehnologia de bază, aplicațiile actuale, provocările și perspectivele de viitor dintr-o perspectivă globală.

Ce este energia din căldura corporală?

Energia din căldura corporală se referă la procesul de captare și conversie a energiei termice produse de corpul uman în electricitate. Corpul uman mediu generează o cantitate semnificativă de căldură, aproximativ 100 de wați în repaus, în principal prin procese metabolice. Această căldură este disipată continuu în mediul înconjurător, reprezentând o sursă de energie disponibilă imediat, deși de calitate scăzută.

Cea mai comună tehnologie utilizată pentru generarea de energie din căldura corporală este generatorul termoelectric (TEG). TEG-urile sunt dispozitive în stare solidă care convertesc căldura direct în electricitate pe baza efectului Seebeck. Acest efect afirmă că atunci când există o diferență de temperatură între doi conductori electrici sau semiconductori diferiți, se creează o diferență de tensiune între ei. Prin plasarea unui TEG în contact cu corpul uman și expunerea celeilalte părți la un mediu mai rece, se stabilește un gradient de temperatură, generând electricitate.

Cum funcționează generatoarele termoelectrice

TEG-urile constau din numeroase termocupluri mici conectate electric în serie și termic în paralel. Fiecare termocuplu este compus din două materiale semiconductoare diferite, de obicei aliaje de telurură de bismut (Bi₂Te₃). Aceste materiale sunt alese pentru coeficientul Seebeck ridicat și conductivitatea electrică, precum și pentru conductivitatea termică scăzută, pentru a maximiza eficiența dispozitivului.

Când o parte a TEG-ului este încălzită (de exemplu, prin contactul cu corpul uman) și cealaltă parte este răcită (de exemplu, prin expunerea la aerul ambiental), electronii și golurile (purtătorii de sarcină în semiconductori) migrează de la partea caldă la partea rece. Această mișcare a purtătorilor de sarcină creează o diferență de tensiune la fiecare termocuplu. Conectarea în serie a mai multor termocupluri amplifică această tensiune, rezultând o ieșire electrică utilizabilă.

Eficiența unui TEG este determinată de diferența de temperatură de-a lungul dispozitivului și de proprietățile materiale ale semiconductorilor. Factorul de merit (ZT) este un parametru adimensional care caracterizează performanța unui material termoelectric. O valoare ZT mai mare indică o performanță termoelectrică mai bună. Deși s-au înregistrat progrese semnificative în cercetarea materialelor termoelectrice, eficiența TEG-urilor rămâne relativ scăzută, de obicei în intervalul 5-10%.

Aplicații ale sistemelor de alimentare bazate pe căldura corporală

Sistemele de alimentare bazate pe căldura corporală au o gamă largă de aplicații potențiale, în special în electronicele purtabile, dispozitivele medicale și teledetecție. Iată câteva domenii cheie în care această tehnologie este explorată:

Electronice purtabile

Una dintre cele mai promițătoare aplicații ale energiei din căldura corporală este alimentarea electronicelor purtabile. Dispozitive precum ceasurile inteligente, brățările de fitness și senzorii necesită o alimentare continuă, bazându-se adesea pe baterii care trebuie reîncărcate sau înlocuite regulat. TEG-urile alimentate de căldura corporală pot oferi o sursă de energie continuă și sustenabilă pentru aceste dispozitive, eliminând necesitatea bateriilor sau a încărcărilor frecvente.

Exemple:

• Ceasuri inteligente: Cercetătorii dezvoltă ceasuri inteligente cu TEG integrat care pot recolta energie din căldura corporală pentru a alimenta dispozitivul, prelungindu-i durata de viață a bateriei sau chiar eliminând complet necesitatea unei baterii.
• Brățări de fitness: Brățările de fitness alimentate de căldura corporală pot monitoriza continuu semnele vitale, cum ar fi ritmul cardiac, temperatura corporală și nivelurile de activitate, fără a necesita încărcare frecventă.
• Îmbrăcăminte inteligentă: TEG-urile pot fi integrate în îmbrăcăminte pentru a alimenta senzori și alte componente electronice, permițând monitorizarea continuă a sănătății și feedback personalizat. Companii precum Q-Symphony explorează aceste integrări.

Dispozitive medicale

Energia din căldura corporală poate fi utilizată și pentru a alimenta dispozitive medicale, în special dispozitive implantabile, cum ar fi stimulatoarele cardiace și monitoarele de glucoză. Înlocuirea bateriilor în dispozitivele implantabile necesită o intervenție chirurgicală, ceea ce prezintă riscuri pentru pacient. TEG-urile alimentate de căldura corporală pot oferi o sursă de energie de lungă durată și fiabilă pentru aceste dispozitive, reducând necesitatea înlocuirii bateriilor și îmbunătățind rezultatele pentru pacienți.

Exemple:

• Stimulatoare cardiace: Cercetătorii lucrează la dezvoltarea de stimulatoare cardiace auto-alimentate care recoltează energie din căldura corporală pentru a regla ritmul cardiac.
• Monitoare de glucoză: Monitoarele de glucoză alimentate de căldura corporală pot urmări continuu nivelurile de zahăr din sânge fără a necesita surse de alimentare externe.
• Sisteme de administrare a medicamentelor: TEG-urile pot alimenta micro-pompe și alte componente ale sistemelor implantabile de administrare a medicamentelor, permițând eliberarea precisă și controlată a medicamentelor.

Teledetecție

Energia din căldura corporală poate fi utilizată pentru a alimenta senzori la distanță în diverse aplicații, cum ar fi monitorizarea mediului, monitorizarea industrială și sistemele de securitate. Acești senzori funcționează adesea în locații îndepărtate sau greu accesibile, unde înlocuirea bateriilor este nepractică. TEG-urile alimentate de căldura corporală pot oferi o sursă de energie fiabilă și sustenabilă pentru acești senzori, permițând colectarea și monitorizarea continuă a datelor.

Exemple:

• Monitorizarea mediului: Senzorii alimentați de căldura corporală pot fi implementați în zone îndepărtate pentru a monitoriza temperatura, umiditatea și alți parametri de mediu.
• Monitorizare industrială: TEG-urile pot alimenta senzori care monitorizează starea mașinilor și echipamentelor în medii industriale, permițând întreținerea predictivă și prevenirea defecțiunilor echipamentelor.
• Sisteme de securitate: Senzorii alimentați de căldura corporală pot fi utilizați în sistemele de securitate pentru a detecta intrușii și a monitoriza activitatea în zonele cu acces restricționat.

Alte aplicații

Pe lângă aplicațiile menționate mai sus, sistemele de alimentare bazate pe căldura corporală sunt, de asemenea, explorate pentru:

• Dispozitive Internet of Things (IoT): Alimentarea dispozitivelor IoT mici, cu consum redus de energie, care sunt din ce în ce mai răspândite în diverse industrii și aplicații.
• Alimentare de urgență: Furnizarea de energie de rezervă în situații de urgență, cum ar fi dezastrele naturale sau penele de curent.
• Aplicații militare: Alimentarea electronicelor și senzorilor purtați de soldați pentru comunicații, navigație și conștientizare situațională.

Provocări și limitări

În ciuda beneficiilor potențiale ale energiei din căldura corporală, mai multe provocări și limitări trebuie abordate înainte ca această tehnologie să poată fi adoptată pe scară largă:

Eficiență redusă

Eficiența TEG-urilor este relativ scăzută, de obicei în intervalul 5-10%. Acest lucru înseamnă că doar o mică parte din energia termică este convertită în electricitate. Îmbunătățirea eficienței TEG-urilor este crucială pentru creșterea puterii de ieșire și pentru a face sistemele de alimentare bazate pe căldura corporală mai practice.

Diferența de temperatură

Cantitatea de energie generată de un TEG este proporțională cu diferența de temperatură dintre partea caldă și cea rece. Menținerea unei diferențe semnificative de temperatură poate fi o provocare, în special în medii cu temperaturi ambientale ridicate sau când dispozitivul este acoperit de îmbrăcăminte. Gestionarea eficientă a căldurii și izolația sunt esențiale pentru maximizarea diferenței de temperatură și a puterii de ieșire.

Costurile materialelor

Materialele utilizate în TEG-uri, cum ar fi aliajele de telurură de bismut, pot fi scumpe. Reducerea costului acestor materiale este importantă pentru a face sistemele de alimentare bazate pe căldura corporală mai accesibile. Cercetarea se concentrează pe dezvoltarea de noi materiale termoelectrice care sunt mai abundente și mai puțin costisitoare.

Dimensiunea și greutatea dispozitivului

TEG-urile pot fi relativ voluminoase și grele, ceea ce poate fi o limitare pentru aplicațiile purtabile. Miniaturizarea TEG-urilor și reducerea greutății lor sunt importante pentru a le face mai confortabile și practice pentru utilizarea de zi cu zi. Tehnici noi de microfabricare sunt dezvoltate pentru a crea TEG-uri mai mici și mai ușoare.

Rezistența de contact

Rezistența de contact dintre TEG și corpul uman poate reduce eficiența transferului de căldură. Asigurarea unui contact termic bun între dispozitiv și piele este crucială pentru maximizarea puterii de ieșire. Acest lucru poate fi realizat prin utilizarea de materiale de interfață termică și un design optimizat al dispozitivului.

Durabilitate și fiabilitate

TEG-urile trebuie să fie durabile și fiabile pentru a rezista rigorilor utilizării zilnice. Acestea ar trebui să poată tolera stresul mecanic, fluctuațiile de temperatură și expunerea la umiditate și transpirație. Încapsularea și ambalarea corespunzătoare sunt esențiale pentru protejarea TEG-ului și asigurarea performanței sale pe termen lung.

Eforturi globale de cercetare și dezvoltare

Eforturi semnificative de cercetare și dezvoltare sunt în curs de desfășurare la nivel mondial pentru a depăși provocările și limitările sistemelor de alimentare bazate pe căldura corporală și pentru a le debloca întregul potențial. Aceste eforturi se concentrează pe:

Îmbunătățirea materialelor termoelectrice

Cercetătorii explorează noi materiale termoelectrice cu valori ZT mai mari. Aceasta include dezvoltarea de aliaje noi, nanostructuri și materiale compozite. De exemplu, oamenii de știință de la Northwestern University din Statele Unite au dezvoltat un material termoelectric flexibil care poate fi integrat în îmbrăcăminte. În Europa, Societatea Termoelectrică Europeană (ETS) coordonează eforturile de cercetare în mai multe țări.

Optimizarea designului dispozitivelor

Cercetătorii optimizează designul TEG-urilor pentru a maximiza transferul de căldură și a minimiza pierderile termice. Aceasta include utilizarea de radiatoare avansate, sisteme de răcire microfluidice și arhitecturi noi de dispozitive. Cercetătorii de la Universitatea din Tokyo, Japonia, au dezvoltat un micro-TEG care poate fi integrat în senzori purtabili. Mai mult, diverse echipe de cercetare din Coreea de Sud lucrează la designuri flexibile de TEG pentru aplicații purtabile.

Dezvoltarea de noi aplicații

Cercetătorii explorează noi aplicații pentru sistemele de alimentare bazate pe căldura corporală în diverse domenii, cum ar fi sănătatea, monitorizarea mediului și automatizarea industrială. Aceasta include dezvoltarea de dispozitive medicale auto-alimentate, senzori wireless și dispozitive IoT. Exemplele includ proiecte finanțate de Comisia Europeană în cadrul programului Orizont 2020, axate pe recoltarea de energie pentru dispozitive purtabile în domeniul sănătății.

Reducerea costurilor

Cercetătorii lucrează la reducerea costului TEG-urilor prin utilizarea de materiale mai abundente și mai puțin costisitoare și prin dezvoltarea unor procese de fabricație mai eficiente. Aceasta include utilizarea tehnicilor de fabricație aditivă, cum ar fi imprimarea 3D, pentru a crea TEG-uri cu geometrii complexe și performanțe optimizate. În China, guvernul investește masiv în cercetarea materialelor termoelectrice pentru a reduce dependența de materialele importate.

Perspective de viitor

Viitorul sistemelor de alimentare bazate pe căldura corporală pare promițător, cu un potențial semnificativ de creștere și inovație. Pe măsură ce materialele termoelectrice și tehnologiile dispozitivelor continuă să se îmbunătățească, se așteaptă ca energia din căldura corporală să joace un rol din ce în ce mai important în alimentarea electronicelor purtabile, a dispozitivelor medicale și a altor aplicații. Dimensiunea și costul în scădere ale electronicelor, combinate cu cererea în creștere pentru dispozitive auto-alimentate, vor impulsiona și mai mult adoptarea sistemelor de alimentare bazate pe căldura corporală.

Tendințe cheie de urmărit:

Materiale termoelectrice avansate: Dezvoltarea continuă a materialelor termoelectrice de înaltă performanță, cu valori ZT îmbunătățite și costuri reduse.

TEG-uri flexibile și extensibile: Dezvoltarea de TEG-uri care se pot conforma formei corpului uman și pot rezista la stres mecanic.

Integrarea cu dispozitive purtabile: Integrarea perfectă a TEG-urilor în îmbrăcăminte, accesorii și alte dispozitive purtabile.

Dispozitive medicale auto-alimentate: Dezvoltarea de dispozitive medicale implantabile și purtabile care sunt alimentate de căldura corporală, reducând necesitatea înlocuirii bateriilor.

Aplicații IoT: Implementarea pe scară largă a senzorilor și dispozitivelor alimentate de căldura corporală în aplicațiile IoT.

Concluzie

Sistemele de alimentare bazate pe căldura corporală reprezintă o tehnologie promițătoare pentru valorificarea energiei termice produse de corpul uman și convertirea acesteia în electricitate utilizabilă. Deși rămân provocări semnificative, eforturile continue de cercetare și dezvoltare deschid calea pentru o adoptare mai largă a acestei tehnologii în diverse aplicații. Pe măsură ce materialele termoelectrice și tehnologiile dispozitivelor continuă să se îmbunătățească, energia din căldura corporală are potențialul de a juca un rol semnificativ în viitorul energiei sustenabile și al electronicelor purtabile, cu implicații globale asupra modului în care ne alimentăm dispozitivele și ne monitorizăm sănătatea.