Využívanie ľudskej energie: Globálny prehľad systémov na výrobu energie z telesného tepla

Vo svete, ktorý sa čoraz viac zameriava na udržateľné a obnoviteľné zdroje energie, sa objavujú inovatívne technológie na využívanie nekonvenčných zdrojov. Jednou z takýchto oblastí, ktorá si získava pozornosť, je energia z telesného tepla, známa aj ako zber ľudskej energie. Táto oblasť skúma potenciál premeny tepelnej energie, ktorú neustále vyžaruje ľudské telo, na použiteľnú elektrickú energiu. Tento článok poskytuje komplexný prehľad systémov na výrobu energie z telesného tepla, pričom skúma základnú technológiu, súčasné aplikácie, výzvy a budúce vyhliadky z globálnej perspektívy.

Čo je energia z telesného tepla?

Energia z telesného tepla sa vzťahuje na proces zachytávania a premeny tepelnej energie produkovanej ľudským telom na elektrinu. Priemerné ľudské telo generuje značné množstvo tepla, v pokoji približne 100 wattov, predovšetkým prostredníctvom metabolických procesov. Toto teplo sa neustále rozptyľuje do okolitého prostredia, čo predstavuje ľahko dostupný, aj keď nízkoúrovňový, zdroj energie.

Najbežnejšou technológiou používanou na výrobu energie z telesného tepla je termoelektrický generátor (TEG). TEG sú polovodičové zariadenia, ktoré premieňajú teplo priamo na elektrinu na základe Seebeckovho javu. Tento jav hovorí, že ak existuje teplotný rozdiel medzi dvoma rozdielnymi elektrickými vodičmi alebo polovodičmi, vznikne medzi nimi napäťový rozdiel. Umiestnením TEG do kontaktu s ľudským telom a vystavením druhej strany chladnejšiemu prostrediu sa vytvorí teplotný gradient, čím sa generuje elektrická energia.

Ako fungujú termoelektrické generátory

TEG sa skladajú z mnohých malých termočlánkov spojených elektricky do série a tepelne paralelne. Každý termočlánok je zložený z dvoch rozdielnych polovodičových materiálov, typicky zliatin telurid bismutitý (Bi₂Te₃). Tieto materiály sú vybrané pre ich vysoký Seebeckov koeficient a elektrickú vodivosť, ako aj nízku tepelnú vodivosť, aby sa maximalizovala účinnosť zariadenia.

Keď sa jedna strana TEG zohreje (napr. kontaktom s ľudským telom) a druhá strana sa ochladí (napr. vystavením okolitému vzduchu), elektróny a diery (nosiče náboja v polovodičoch) migrujú z horúcej strany na studenú. Tento pohyb nosičov náboja vytvára napäťový rozdiel na každom termočlánku. Sériové zapojenie viacerých termočlánkov toto napätie zosilňuje, čo vedie k využiteľnému elektrickému výstupu.

Účinnosť TEG je určená teplotným rozdielom na zariadení a materiálovými vlastnosťami polovodičov. Faktor kvality (ZT) je bezrozmerný parameter, ktorý charakterizuje výkon termoelektrického materiálu. Vyššia hodnota ZT znamená lepší termoelektrický výkon. Hoci v oblasti výskumu termoelektrických materiálov bol dosiahnutý významný pokrok, účinnosť TEG zostáva relatívne nízka, zvyčajne v rozmedzí 5-10%.

Aplikácie systémov na výrobu energie z telesného tepla

Systémy na výrobu energie z telesného tepla majú širokú škálu potenciálnych aplikácií, najmä v nositeľnej elektronike, zdravotníckych pomôckach a diaľkovom snímaní. Tu sú niektoré kľúčové oblasti, kde sa táto technológia skúma:

Nositeľná elektronika

Jednou z najsľubnejších aplikácií energie z telesného tepla je napájanie nositeľnej elektroniky. Zariadenia ako inteligentné hodinky, fitness náramky a senzory vyžadujú nepretržité napájanie, často sa spoliehajúc na batérie, ktoré je potrebné pravidelne dobíjať alebo vymieňať. TEG napájané telesným teplom môžu poskytnúť nepretržitý a udržateľný zdroj energie pre tieto zariadenia, čím sa eliminuje potreba batérií alebo častého nabíjania.

Príklady:

• Inteligentné hodinky: Výskumníci vyvíjajú inteligentné hodinky s integrovaným TEG, ktoré dokážu získavať energiu z telesného tepla na napájanie zariadenia, čím sa predlžuje životnosť batérie alebo dokonca úplne eliminuje potreba batérie.
• Fitness náramky: Fitness náramky napájané telesným teplom môžu nepretržite monitorovať životné funkcie, ako je srdcová frekvencia, telesná teplota a úroveň aktivity bez potreby častého nabíjania.
• Inteligentné oblečenie: TEG môžu byť integrované do oblečenia na napájanie senzorov a iných elektronických komponentov, čo umožňuje nepretržité monitorovanie zdravia a personalizovanú spätnú väzbu. Spoločnosti ako Q-Symphony skúmajú tieto integrácie.

Zdravotnícke pomôcky

Energia z telesného tepla môže byť tiež použitá na napájanie zdravotníckych pomôcok, najmä implantovateľných zariadení, ako sú kardiostimulátory a glukomery. Výmena batérií v implantovateľných zariadeniach si vyžaduje chirurgický zákrok, ktorý predstavuje riziko pre pacienta. TEG napájané telesným teplom môžu poskytnúť dlhotrvajúci a spoľahlivý zdroj energie pre tieto zariadenia, čím sa znižuje potreba výmeny batérií a zlepšujú sa výsledky liečby pacientov.

Príklady:

• Kardiostimulátory: Výskumníci pracujú na vývoji samonapájacích kardiostimulátorov, ktoré získavajú energiu z telesného tepla na reguláciu srdcového rytmu.
• Glukomery: Glukomery napájané telesným teplom môžu nepretržite sledovať hladinu cukru v krvi bez potreby externých zdrojov napájania.
• Systémy na podávanie liekov: TEG môžu napájať mikropumpy a ďalšie komponenty implantovateľných systémov na podávanie liekov, čo umožňuje presné a kontrolované uvoľňovanie liekov.

Diaľkové snímanie

Energia z telesného tepla môže byť použitá na napájanie diaľkových senzorov v rôznych aplikáciách, ako je monitorovanie životného prostredia, priemyselné monitorovanie a bezpečnostné systémy. Tieto senzory často fungujú na vzdialených alebo ťažko dostupných miestach, kde je výmena batérií nepraktická. TEG napájané telesným teplom môžu poskytnúť spoľahlivý a udržateľný zdroj energie pre tieto senzory, čo umožňuje nepretržitý zber a monitorovanie údajov.

Príklady:

• Monitorovanie životného prostredia: Senzory napájané telesným teplom môžu byť nasadené vo vzdialených oblastiach na monitorovanie teploty, vlhkosti a ďalších environmentálnych parametrov.
• Priemyselné monitorovanie: TEG môžu napájať senzory, ktoré monitorujú stav strojov a zariadení v priemyselných prostrediach, čo umožňuje prediktívnu údržbu a predchádzanie poruchám zariadení.
• Bezpečnostné systémy: Senzory napájané telesným teplom môžu byť použité v bezpečnostných systémoch na detekciu narušiteľov a monitorovanie aktivity v obmedzených oblastiach.

Ďalšie aplikácie

Okrem vyššie uvedených aplikácií sa systémy na výrobu energie z telesného tepla skúmajú aj pre:

• Zariadenia internetu vecí (IoT): Napájanie malých, nízkoenergetických zariadení IoT, ktoré sú čoraz rozšírenejšie v rôznych odvetviach a aplikáciách.
• Núdzové napájanie: Poskytovanie záložného napájania v núdzových situáciách, ako sú prírodné katastrofy alebo výpadky prúdu.
• Vojenské aplikácie: Napájanie elektroniky a senzorov nosených vojakmi pre komunikáciu, navigáciu a situačné povedomie.

Výzvy a obmedzenia

Napriek potenciálnym výhodám energie z telesného tepla je potrebné vyriešiť niekoľko výziev a obmedzení, aby mohla byť táto technológia široko prijatá:

Nízka účinnosť

Účinnosť TEG je relatívne nízka, zvyčajne v rozmedzí 5-10%. To znamená, že iba malá časť tepelnej energie sa premieňa na elektrinu. Zlepšenie účinnosti TEG je kľúčové pre zvýšenie výkonu a pre to, aby sa systémy na výrobu energie z telesného tepla stali praktickejšími.

Teplotný rozdiel

Množstvo energie generovanej TEG je úmerné teplotnému rozdielu medzi horúcou a studenou stranou. Udržiavanie významného teplotného rozdielu môže byť náročné, najmä v prostrediach s vysokou okolitou teplotou alebo keď je zariadenie zakryté oblečením. Efektívne riadenie tepla a izolácia sú nevyhnutné pre maximalizáciu teplotného rozdielu a výkonu.

Náklady na materiál

Materiály používané v TEG, ako sú zliatiny teluridu bismutitého, môžu byť drahé. Zníženie nákladov na tieto materiály je dôležité pre to, aby sa systémy na výrobu energie z telesného tepla stali cenovo dostupnejšími a prístupnejšími. Výskum sa zameriava na vývoj nových termoelektrických materiálov, ktoré sú hojnejšie a lacnejšie.

Veľkosť a hmotnosť zariadenia

TEG môžu byť relatívne objemné a ťažké, čo môže byť obmedzením pre nositeľné aplikácie. Miniaturizácia TEG a zníženie ich hmotnosti je dôležité pre to, aby boli pohodlnejšie a praktickejšie na každodenné použitie. Na vytváranie menších a ľahších TEG sa vyvíjajú nové techniky mikrofabrikácie.

Kontaktný odpor

Kontaktný odpor medzi TEG a ľudským telom môže znížiť účinnosť prenosu tepla. Zabezpečenie dobrého tepelného kontaktu medzi zariadením a pokožkou je kľúčové pre maximalizáciu výkonu. To sa dá dosiahnuť použitím materiálov pre tepelné rozhranie a optimalizovaným dizajnom zariadenia.

Odolnosť a spoľahlivosť

TEG musia byť odolné a spoľahlivé, aby vydržali nároky každodenného používania. Mali by byť schopné tolerovať mechanické namáhanie, teplotné výkyvy a vystavenie vlhkosti a potu. Správne zapuzdrenie a balenie sú nevyhnutné na ochranu TEG a zabezpečenie jeho dlhodobého výkonu.

Globálne úsilie v oblasti výskumu a vývoja

Na celom svete prebieha významné úsilie v oblasti výskumu a vývoja s cieľom prekonať výzvy a obmedzenia systémov na výrobu energie z telesného tepla a odomknúť ich plný potenciál. Tieto snahy sa zameriavajú na:

Zlepšovanie termoelektrických materiálov

Výskumníci skúmajú nové termoelektrické materiály s vyššími hodnotami ZT. To zahŕňa vývoj nových zliatin, nanoštruktúr a kompozitných materiálov. Napríklad vedci na Northwestern University v Spojených štátoch vyvinuli flexibilný termoelektrický materiál, ktorý je možné integrovať do oblečenia. V Európe koordinuje výskumné úsilie vo viacerých krajinách Európska termoelektrická spoločnosť (ETS).

Optimalizácia dizajnu zariadenia

Výskumníci optimalizujú dizajn TEG s cieľom maximalizovať prenos tepla a minimalizovať tepelné straty. To zahŕňa použitie pokročilých chladičov, mikrofluidných chladiacich systémov a nových architektúr zariadení. Výskumníci na Tokijskej univerzite v Japonsku vyvinuli mikro-TEG, ktorý je možné integrovať do nositeľných senzorov. Okrem toho rôzne výskumné tímy v Južnej Kórei pracujú na flexibilných dizajnoch TEG pre nositeľné aplikácie.

Vývoj nových aplikácií

Výskumníci skúmajú nové aplikácie pre systémy na výrobu energie z telesného tepla v rôznych oblastiach, ako je zdravotníctvo, monitorovanie životného prostredia a priemyselná automatizácia. To zahŕňa vývoj samonapájacích zdravotníckych pomôcok, bezdrôtových senzorov a zariadení IoT. Príkladmi sú projekty financované Európskou komisiou v rámci programu Horizon 2020, ktoré sa zameriavajú na zber energie pre nositeľné zariadenia v zdravotníctve.

Znižovanie nákladov

Výskumníci pracujú na znižovaní nákladov na TEG používaním hojnejších a lacnejších materiálov a vývojom efektívnejších výrobných procesov. To zahŕňa použitie aditívnych výrobných techník, ako je 3D tlač, na vytváranie TEG s komplexnými geometriami a optimalizovaným výkonom. V Číne vláda výrazne investuje do výskumu termoelektrických materiálov, aby sa znížila závislosť od dovážaných materiálov.

Budúce vyhliadky

Budúcnosť systémov na výrobu energie z telesného tepla vyzerá sľubne, s významným potenciálom pre rast a inovácie. Keďže sa technológie termoelektrických materiálov a zariadení neustále zlepšujú, očakáva sa, že energia z telesného tepla bude hrať čoraz dôležitejšiu úlohu pri napájaní nositeľnej elektroniky, zdravotníckych pomôcok a ďalších aplikácií. Zmenšujúca sa veľkosť a náklady na elektroniku v kombinácii s rastúcim dopytom po samonapájacích zariadeniach ďalej podporia prijatie systémov na výrobu energie z telesného tepla.

Kľúčové trendy, ktoré treba sledovať:

Pokročilé termoelektrické materiály: Pokračujúci vývoj vysokovýkonných termoelektrických materiálov so zlepšenými hodnotami ZT a zníženými nákladmi.

Flexibilné a roztiahnuteľné TEG: Vývoj TEG, ktoré sa môžu prispôsobiť tvaru ľudského tela a vydržať mechanické namáhanie.

Integrácia s nositeľnými zariadeniami: Bezproblémová integrácia TEG do oblečenia, doplnkov a iných nositeľných zariadení.

Samonapájacie zdravotnícke pomôcky: Vývoj implantovateľných a nositeľných zdravotníckych pomôcok, ktoré sú napájané telesným teplom, čím sa znižuje potreba výmeny batérií.

Aplikácie IoT: Široké nasadenie senzorov a zariadení napájaných telesným teplom v aplikáciách IoT.

Záver

Systémy na výrobu energie z telesného tepla predstavujú sľubnú technológiu na využitie tepelnej energie produkovanej ľudským telom a jej premenu na použiteľnú elektrinu. Hoci pretrvávajú významné výzvy, prebiehajúce úsilie v oblasti výskumu a vývoja pripravuje pôdu pre širšie prijatie tejto technológie v rôznych aplikáciách. Keďže sa technológie termoelektrických materiálov a zariadení neustále zlepšujú, energia z telesného tepla má potenciál zohrávať významnú úlohu v budúcnosti udržateľnej energie a nositeľnej elektroniky s globálnymi dôsledkami pre spôsob, akým napájame naše zariadenia a monitorujeme naše zdravie.