Использование человеческой энергии: Глобальный обзор систем питания от тепла тела

В мире, все более ориентированном на устойчивые и возобновляемые источники энергии, появляются инновационные технологии для использования нетрадиционных ресурсов. Одной из таких набирающих популярность областей является энергия тепла тела, также известная как сбор человеческой энергии. Эта область исследует потенциал преобразования тепловой энергии, постоянно излучаемой человеческим телом, в полезную электрическую энергию. В данной статье представлен всесторонний обзор систем питания от тепла тела, рассматривающий лежащие в их основе технологии, текущие применения, проблемы и будущие перспективы в глобальном масштабе.

Что такое энергия тепла тела?

Энергия тепла тела — это процесс улавливания и преобразования тепловой энергии, вырабатываемой человеческим телом, в электричество. Среднестатистическое человеческое тело в состоянии покоя выделяет значительное количество тепла, около 100 ватт, в основном за счет метаболических процессов. Это тепло постоянно рассеивается в окружающую среду, представляя собой легкодоступный, хотя и низкопотенциальный, источник энергии.

Наиболее распространенной технологией для генерации энергии от тепла тела является термоэлектрический генератор (ТЭГ). ТЭГ — это твердотельные устройства, которые преобразуют тепло непосредственно в электричество на основе эффекта Зеебека. Этот эффект гласит, что при наличии разницы температур между двумя разнородными электрическими проводниками или полупроводниками между ними возникает разность напряжений. При контакте ТЭГ с человеческим телом и охлаждении другой его стороны создается температурный градиент, который и генерирует электричество.

Как работают термоэлектрические генераторы

ТЭГ состоят из множества небольших термопар, соединенных электрически последовательно и термически параллельно. Каждая термопара состоит из двух разнородных полупроводниковых материалов, обычно сплавов теллурида висмута (Bi₂Te₃). Эти материалы выбраны за их высокий коэффициент Зеебека и электрическую проводимость, а также низкую теплопроводность, что позволяет максимизировать эффективность устройства.

Когда одна сторона ТЭГ нагревается (например, от контакта с телом человека), а другая охлаждается (например, окружающим воздухом), электроны и дырки (носители заряда в полупроводниках) мигрируют с горячей стороны на холодную. Это движение носителей заряда создает разность напряжений на каждой термопаре. Последовательное соединение множества термопар усиливает это напряжение, что приводит к получению полезного электрического выхода.

Эффективность ТЭГ определяется разностью температур на устройстве и свойствами материалов полупроводников. Добротность (ZT) — это безразмерный параметр, характеризующий производительность термоэлектрического материала. Более высокое значение ZT указывает на лучшую термоэлектрическую производительность. Несмотря на значительный прогресс в исследованиях термоэлектрических материалов, эффективность ТЭГ остается относительно низкой, обычно в диапазоне 5-10%.

Применение систем питания от тепла тела

Системы питания от тепла тела имеют широкий спектр потенциальных применений, особенно в носимой электронике, медицинских устройствах и дистанционном зондировании. Вот некоторые ключевые области, где эта технология исследуется:

Носимая электроника

Одним из наиболее перспективных применений энергии тепла тела является питание носимой электроники. Устройства, такие как умные часы, фитнес-трекеры и датчики, требуют постоянного питания, часто полагаясь на аккумуляторы, которые необходимо регулярно заряжать или заменять. ТЭГ, работающие от тепла тела, могут обеспечить непрерывный и устойчивый источник питания для этих устройств, устраняя необходимость в батареях или частой зарядке.

Примеры:

• Умные часы: Исследователи разрабатывают умные часы со встроенными ТЭГ, которые могут собирать энергию от тепла тела для питания устройства, продлевая срок службы батареи или даже полностью устраняя ее необходимость.
• Фитнес-трекеры: Фитнес-трекеры, работающие от тепла тела, могут непрерывно отслеживать жизненно важные показатели, такие как частота сердечных сокращений, температура тела и уровень активности, не требуя частой зарядки.
• Умная одежда: ТЭГ могут быть встроены в одежду для питания датчиков и других электронных компонентов, обеспечивая непрерывный мониторинг здоровья и персонализированную обратную связь. Компании, такие как Q-Symphony, исследуют подобные интеграции.

Медицинские устройства

Энергия тепла тела также может использоваться для питания медицинских устройств, особенно имплантируемых, таких как кардиостимуляторы и глюкометры. Замена батарей в имплантируемых устройствах требует хирургического вмешательства, что сопряжено с риском для пациента. ТЭГ, работающие от тепла тела, могут обеспечить долговечный и надежный источник питания для этих устройств, уменьшая необходимость замены батарей и улучшая результаты лечения пациентов.

Примеры:

• Кардиостимуляторы: Исследователи работают над созданием самозаряжающихся кардиостимуляторов, которые собирают энергию от тепла тела для регулирования сердечного ритма.
• Глюкометры: Глюкометры, работающие от тепла тела, могут непрерывно отслеживать уровень сахара в крови, не требуя внешних источников питания.
• Системы доставки лекарств: ТЭГ могут питать микронасосы и другие компоненты имплантируемых систем доставки лекарств, обеспечивая точное и контролируемое высвобождение препаратов.

Дистанционное зондирование

Энергия тепла тела может использоваться для питания удаленных датчиков в различных приложениях, таких как мониторинг окружающей среды, промышленный мониторинг и системы безопасности. Эти датчики часто работают в удаленных или труднодоступных местах, где замена батарей непрактична. ТЭГ, работающие от тепла тела, могут обеспечить надежный и устойчивый источник питания для этих датчиков, позволяя осуществлять непрерывный сбор данных и мониторинг.

Примеры:

• Мониторинг окружающей среды: Датчики, работающие от тепла тела, могут быть развернуты в удаленных районах для мониторинга температуры, влажности и других параметров окружающей среды.
• Промышленный мониторинг: ТЭГ могут питать датчики, которые отслеживают состояние машин и оборудования в промышленных условиях, обеспечивая предиктивное обслуживание и предотвращая отказы оборудования.
• Системы безопасности: Датчики, работающие от тепла тела, могут использоваться в системах безопасности для обнаружения злоумышленников и мониторинга активности в зонах с ограниченным доступом.

Другие применения

Помимо вышеупомянутых применений, системы питания от тепла тела также исследуются для:

• Устройства Интернета вещей (IoT): Питание небольших, маломощных устройств IoT, которые становятся все более распространенными в различных отраслях и приложениях.
• Аварийное питание: Обеспечение резервного питания в чрезвычайных ситуациях, таких как стихийные бедствия или отключения электроэнергии.
• Военные применения: Питание носимой солдатами электроники и датчиков для связи, навигации и ситуационной осведомленности.

Проблемы и ограничения

Несмотря на потенциальные преимущества энергии тепла тела, существует несколько проблем и ограничений, которые необходимо преодолеть, прежде чем эта технология получит широкое распространение:

Низкая эффективность

Эффективность ТЭГ относительно низка, обычно в диапазоне 5-10%. Это означает, что лишь малая часть тепловой энергии преобразуется в электричество. Повышение эффективности ТЭГ имеет решающее значение для увеличения выходной мощности и повышения практичности систем питания от тепла тела.

Разница температур

Количество энергии, генерируемой ТЭГ, пропорционально разнице температур между горячей и холодной сторонами. Поддержание значительной разницы температур может быть сложной задачей, особенно в средах с высокой температурой окружающей среды или когда устройство покрыто одеждой. Эффективное управление теплом и изоляция необходимы для максимизации разницы температур и выходной мощности.

Стоимость материалов

Материалы, используемые в ТЭГ, такие как сплавы теллурида висмута, могут быть дорогостоящими. Снижение стоимости этих материалов важно для того, чтобы сделать системы питания от тепла тела более доступными. Исследования направлены на разработку новых термоэлектрических материалов, которые более распространены и менее дороги.

Размер и вес устройства

ТЭГ могут быть относительно громоздкими и тяжелыми, что может стать ограничением для носимых устройств. Миниатюризация ТЭГ и уменьшение их веса важны для того, чтобы сделать их более удобными и практичными для повседневного использования. Разрабатываются новые методы микрофабрикации для создания более мелких и легких ТЭГ.

Контактное сопротивление

Контактное сопротивление между ТЭГ и телом человека может снизить эффективность теплопередачи. Обеспечение хорошего теплового контакта между устройством и кожей имеет решающее значение для максимизации выходной мощности. Этого можно достичь за счет использования термоинтерфейсных материалов и оптимизированной конструкции устройства.

Долговечность и надежность

ТЭГ должны быть долговечными и надежными, чтобы выдерживать суровые условия ежедневного использования. Они должны быть устойчивы к механическим нагрузкам, колебаниям температуры, а также воздействию влаги и пота. Правильная герметизация и упаковка необходимы для защиты ТЭГ и обеспечения его долгосрочной работы.

Глобальные исследования и разработки

По всему миру ведутся значительные исследования и разработки для преодоления проблем и ограничений систем питания от тепла тела и раскрытия их полного потенциала. Эти усилия сосредоточены на:

Улучшение термоэлектрических материалов

Исследователи изучают новые термоэлектрические материалы с более высокими значениями ZT. Это включает разработку новых сплавов, наноструктур и композитных материалов. Например, ученые из Северо-Западного университета в США разработали гибкий термоэлектрический материал, который можно интегрировать в одежду. В Европе Европейское термоэлектрическое общество (ETS) координирует исследовательские усилия в нескольких странах.

Оптимизация конструкции устройства

Исследователи оптимизируют конструкцию ТЭГ для максимизации теплопередачи и минимизации тепловых потерь. Это включает использование усовершенствованных радиаторов, микрофлюидных систем охлаждения и новых архитектур устройств. Исследователи из Токийского университета в Японии разработали микро-ТЭГ, который можно интегрировать в носимые датчики. Кроме того, различные исследовательские группы в Южной Корее работают над гибкими конструкциями ТЭГ для носимых устройств.

Разработка новых применений

Исследователи изучают новые применения систем питания от тепла тела в различных областях, таких как здравоохранение, мониторинг окружающей среды и промышленная автоматизация. Это включает разработку самозаряжающихся медицинских устройств, беспроводных датчиков и устройств IoT. Примерами могут служить проекты, финансируемые Европейской комиссией в рамках программы Horizon 2020, направленные на сбор энергии для носимых устройств в здравоохранении.

Снижение затрат

Исследователи работают над снижением стоимости ТЭГ, используя более распространенные и менее дорогие материалы, а также разрабатывая более эффективные производственные процессы. Это включает использование аддитивных технологий производства, таких как 3D-печать, для создания ТЭГ со сложной геометрией и оптимизированной производительностью. В Китае правительство активно инвестирует в исследования термоэлектрических материалов, чтобы уменьшить зависимость от импортных материалов.

Будущие перспективы

Будущее систем питания от тепла тела выглядит многообещающим, с большим потенциалом для роста и инноваций. По мере совершенствования термоэлектрических материалов и технологий устройств ожидается, что энергия тепла тела будет играть все более важную роль в питании носимой электроники, медицинских устройств и других приложений. Уменьшение размера и стоимости электроники в сочетании с растущим спросом на самозаряжающиеся устройства будет способствовать дальнейшему внедрению систем питания от тепла тела.

Ключевые тенденции, за которыми стоит следить:

• Передовые термоэлектрические материалы: Продолжение разработки высокопроизводительных термоэлектрических материалов с улучшенными значениями ZT и сниженной стоимостью.
• Гибкие и растяжимые ТЭГ: Разработка ТЭГ, которые могут повторять форму человеческого тела и выдерживать механические нагрузки.
• Интеграция с носимыми устройствами: Бесшовная интеграция ТЭГ в одежду, аксессуары и другие носимые устройства.
• Самозаряжающиеся медицинские устройства: Разработка имплантируемых и носимых медицинских устройств, питающихся от тепла тела, что снижает необходимость замены батарей.
• Применения в IoT: Широкомасштабное внедрение датчиков и устройств, работающих от тепла тела, в приложениях IoT.

Заключение

Системы питания от тепла тела представляют собой многообещающую технологию для использования тепловой энергии, вырабатываемой человеческим телом, и преобразования ее в полезное электричество. Хотя остаются значительные проблемы, текущие исследования и разработки открывают путь для более широкого внедрения этой технологии в различных приложениях. По мере совершенствования термоэлектрических материалов и технологий устройств, энергия тепла тела имеет потенциал сыграть значительную роль в будущем устойчивой энергетики и носимой электроники, с глобальными последствиями для того, как мы питаем наши устройства и следим за своим здоровьем.