Izkoriščanje človeške energije: Globalni pregled sistemov za pridobivanje energije iz telesne toplote

V svetu, ki se vse bolj osredotoča na trajnostne in obnovljive vire energije, se pojavljajo inovativne tehnologije za izkoriščanje nekonvencionalnih virov. Eno takšnih področij, ki pridobiva na veljavi, je energija iz telesne toplote, znana tudi kot pridobivanje človeške energije. To področje raziskuje potencial pretvorbe toplotne energije, ki jo nenehno oddaja človeško telo, v uporabno električno energijo. Ta članek ponuja celovit pregled sistemov za pridobivanje energije iz telesne toplote, preučuje osnovno tehnologijo, trenutne uporabe, izzive in prihodnje obete z globalnega vidika.

Kaj je energija iz telesne toplote?

Energija iz telesne toplote se nanaša na postopek zajemanja in pretvarjanja toplotne energije, ki jo proizvaja človeško telo, v električno energijo. Povprečno človeško telo v mirovanju ustvari znatno količino toplote, približno 100 vatov, predvsem preko presnovnih procesov. Ta toplota se nenehno odvaja v okolje in predstavlja takoj dostopen, čeprav nizko kakovosten, vir energije.

Najpogostejša tehnologija, ki se uporablja za proizvodnjo energije iz telesne toplote, je termoelektrični generator (TEG). TEG-i so polprevodniške naprave, ki toploto neposredno pretvarjajo v električno energijo na podlagi Seebeckovega pojava. Ta pojav navaja, da ko med dvema različnima električnima prevodnikoma ali polprevodnikoma obstaja temperaturna razlika, se med njima ustvari napetostna razlika. S postavitvijo TEG-a v stik s človeškim telesom in izpostavitvijo druge strani hladnejšemu okolju se ustvari temperaturni gradient, ki proizvaja električno energijo.

Kako delujejo termoelektrični generatorji

TEG-i so sestavljeni iz številnih majhnih termočlenov, ki so električno povezani zaporedno in toplotno vzporedno. Vsak termočlen je sestavljen iz dveh različnih polprevodniških materialov, običajno zlitin bizmutovega telurida (Bi₂Te₃). Ti materiali so izbrani zaradi visokega Seebeckovega koeficienta in električne prevodnosti ter nizke toplotne prevodnosti, da se poveča učinkovitost naprave.

Ko se ena stran TEG-a segreje (npr. s stikom s človeškim telesom) in se druga stran ohladi (npr. z izpostavljenostjo zunanjemu zraku), se elektroni in vrzeli (nosilci naboja v polprevodnikih) premaknejo z vroče na hladno stran. To gibanje nosilcev naboja ustvari napetostno razliko na vsakem termočlenu. Zaporedna vezava več termočlenov to napetost ojača, kar povzroči uporaben električni izhod.

Učinkovitost TEG-a je odvisna od temperaturne razlike na napravi in lastnosti materialov polprevodnikov. Faktor kakovosti (ZT) je brezdimenzijski parameter, ki označuje zmogljivost termoelektričnega materiala. Višja vrednost ZT pomeni boljšo termoelektrično zmogljivost. Čeprav je bil dosežen znaten napredek v raziskavah termoelektričnih materialov, ostaja učinkovitost TEG-ov razmeroma nizka, običajno v območju 5-10 %.

Uporaba sistemov za pridobivanje energije iz telesne toplote

Sistemi za pridobivanje energije iz telesne toplote imajo širok spekter potencialnih uporab, zlasti pri nosljivi elektroniki, medicinskih pripomočkih in daljinskem zaznavanju. Tu je nekaj ključnih področij, kjer se ta tehnologija raziskuje:

Nosljiva elektronika

Ena najobetavnejših uporab energije iz telesne toplote je napajanje nosljive elektronike. Naprave, kot so pametne ure, merilniki telesne pripravljenosti in senzorji, potrebujejo neprekinjeno napajanje in se pogosto zanašajo na baterije, ki jih je treba redno polniti ali menjati. TEG-i, ki jih napaja telesna toplota, lahko zagotovijo neprekinjen in trajnosten vir energije za te naprave, s čimer se odpravi potreba po baterijah ali pogostem polnjenju.

Primeri:

• Pametne ure: Raziskovalci razvijajo pametne ure z integriranimi TEG-i, ki lahko pridobivajo energijo iz telesne toplote za napajanje naprave, podaljšanje življenjske dobe baterije ali celo odpravo potrebe po bateriji.
• Merilniki telesne pripravljenosti: Merilniki telesne pripravljenosti, ki jih napaja telesna toplota, lahko neprekinjeno spremljajo vitalne znake, kot so srčni utrip, telesna temperatura in raven aktivnosti, ne da bi jih bilo treba pogosto polniti.
• Pametna oblačila: TEG-e je mogoče vgraditi v oblačila za napajanje senzorjev in drugih elektronskih komponent, kar omogoča neprekinjeno spremljanje zdravja in osebne povratne informacije. Podjetja, kot je Q-Symphony, raziskujejo te integracije.

Medicinski pripomočki

Energijo iz telesne toplote je mogoče uporabiti tudi za napajanje medicinskih pripomočkov, zlasti vsadljivih naprav, kot so srčni spodbujevalniki in merilniki glukoze. Zamenjava baterij v vsadljivih napravah zahteva operacijo, kar predstavlja tveganje za pacienta. TEG-i, ki jih napaja telesna toplota, lahko zagotovijo dolgotrajen in zanesljiv vir energije za te naprave, zmanjšajo potrebo po zamenjavi baterij in izboljšajo izide zdravljenja.

Primeri:

• Srčni spodbujevalniki: Raziskovalci delajo na razvoju samonapajalnih srčnih spodbujevalnikov, ki pridobivajo energijo iz telesne toplote za uravnavanje srčnega ritma.
• Merilniki glukoze: Merilniki glukoze, ki jih napaja telesna toplota, lahko neprekinjeno spremljajo raven sladkorja v krvi brez potrebe po zunanjih virih napajanja.
• Sistemi za dostavo zdravil: TEG-i lahko napajajo mikročrpalke in druge komponente vsadljivih sistemov za dostavo zdravil, kar omogoča natančno in nadzorovano sproščanje zdravil.

Daljinsko zaznavanje

Energijo iz telesne toplote je mogoče uporabiti za napajanje daljinskih senzorjev v različnih aplikacijah, kot so spremljanje okolja, industrijski nadzor in varnostni sistemi. Ti senzorji pogosto delujejo na oddaljenih ali težko dostopnih lokacijah, kjer je menjava baterij nepraktična. TEG-i, ki jih napaja telesna toplota, lahko zagotovijo zanesljiv in trajnosten vir energije za te senzorje, kar omogoča neprekinjeno zbiranje podatkov in spremljanje.

Primeri:

• Nadzor okolja: Senzorje, ki jih napaja telesna toplota, je mogoče namestiti na oddaljenih območjih za spremljanje temperature, vlažnosti in drugih okoljskih parametrov.
• Industrijski nadzor: TEG-i lahko napajajo senzorje, ki spremljajo stanje strojev in opreme v industrijskih okoljih, kar omogoča napovedno vzdrževanje in preprečevanje okvar opreme.
• Varnostni sistemi: Senzorje, ki jih napaja telesna toplota, je mogoče uporabiti v varnostnih sistemih za zaznavanje vsiljivcev in spremljanje dejavnosti na omejenih območjih.

Druge uporabe

Poleg zgoraj omenjenih uporab se sistemi za pridobivanje energije iz telesne toplote raziskujejo tudi za:

• Naprave interneta stvari (IoT): Napajanje majhnih, nizkoenergijskih naprav IoT, ki so vse bolj razširjene v različnih industrijah in aplikacijah.
• Zasilno napajanje: Zagotavljanje rezervnega napajanja v izrednih razmerah, kot so naravne nesreče ali izpadi električne energije.
• Vojaške uporabe: Napajanje elektronike in senzorjev, ki jih nosijo vojaki, za komunikacijo, navigacijo in zavedanje o situaciji.

Izzivi in omejitve

Kljub potencialnim koristim energije iz telesne toplote je treba pred širšo uporabo te tehnologije obravnavati več izzivov in omejitev:

Nizka učinkovitost

Učinkovitost TEG-ov je razmeroma nizka, običajno v območju 5-10 %. To pomeni, da se le majhen del toplotne energije pretvori v električno energijo. Izboljšanje učinkovitosti TEG-ov je ključnega pomena za povečanje izhodne moči in bolj praktično uporabo sistemov za pridobivanje energije iz telesne toplote.

Temperaturna razlika

Količina proizvedene energije s TEG-om je sorazmerna s temperaturno razliko med vročo in hladno stranjo. Vzdrževanje znatne temperaturne razlike je lahko izziv, zlasti v okoljih z visoko temperaturo okolice ali ko je naprava pokrita z oblačili. Učinkovito upravljanje toplote in izolacija sta bistvenega pomena za povečanje temperaturne razlike in izhodne moči.

Stroški materiala

Materiali, uporabljeni v TEG-ih, kot so zlitine bizmutovega telurida, so lahko dragi. Zmanjšanje stroškov teh materialov je pomembno za cenovno dostopnejše in širše dostopne sisteme za pridobivanje energije iz telesne toplote. Raziskave so osredotočene na razvoj novih termoelektričnih materialov, ki so bolj razširjeni in cenejši.

Velikost in teža naprave

TEG-i so lahko razmeroma veliki in težki, kar je lahko omejitev pri nosljivih aplikacijah. Miniaturizacija TEG-ov in zmanjšanje njihove teže sta pomembna za udobnejšo in praktičnejšo vsakodnevno uporabo. Razvijajo se nove tehnike mikroizdelave za ustvarjanje manjših in lažjih TEG-ov.

Kontaktna upornost

Kontaktna upornost med TEG-om in človeškim telesom lahko zmanjša učinkovitost prenosa toplote. Zagotavljanje dobrega toplotnega stika med napravo in kožo je ključnega pomena za povečanje izhodne moči. To je mogoče doseči z uporabo materialov za toplotni vmesnik in optimizirano zasnovo naprave.

Vzdržljivost in zanesljivost

TEG-i morajo biti vzdržljivi in zanesljivi, da prenesejo napore vsakodnevne uporabe. Morali bi biti odporni na mehanske obremenitve, temperaturna nihanja ter izpostavljenost vlagi in znoju. Ustrezna enkapsulacija in embalaža sta bistvenega pomena za zaščito TEG-a in zagotavljanje njegove dolgoročne zmogljivosti.

Globalna prizadevanja za raziskave in razvoj

Po vsem svetu potekajo pomembna prizadevanja za raziskave in razvoj, da bi premagali izzive in omejitve sistemov za pridobivanje energije iz telesne toplote ter sprostili njihov polni potencial. Ta prizadevanja so osredotočena na:

Izboljšanje termoelektričnih materialov

Raziskovalci raziskujejo nove termoelektrične materiale z višjimi vrednostmi ZT. To vključuje razvoj novih zlitin, nanostruktur in kompozitnih materialov. Znanstveniki z Univerze Northwestern v ZDA so na primer razvili prožen termoelektrični material, ki ga je mogoče vgraditi v oblačila. V Evropi Evropsko termoelektrično društvo (ETS) usklajuje raziskovalna prizadevanja v več državah.

Optimizacija zasnove naprav

Raziskovalci optimizirajo zasnovo TEG-ov za maksimalen prenos toplote in minimalne toplotne izgube. To vključuje uporabo naprednih hladilnikov, mikrofluidnih hladilnih sistemov in novih arhitektur naprav. Raziskovalci z Univerze v Tokiu na Japonskem so razvili mikro-TEG, ki ga je mogoče vgraditi v nosljive senzorje. Poleg tega različne raziskovalne skupine v Južni Koreji delajo na prilagodljivih zasnovah TEG-ov za nosljive aplikacije.

Razvoj novih uporab

Raziskovalci raziskujejo nove uporabe sistemov za pridobivanje energije iz telesne toplote na različnih področjih, kot so zdravstvo, spremljanje okolja in industrijska avtomatizacija. To vključuje razvoj samonapajalnih medicinskih pripomočkov, brezžičnih senzorjev in naprav IoT. Primeri vključujejo projekte, ki jih financira Evropska komisija v okviru programa Obzorje 2020 in se osredotočajo na pridobivanje energije za nosljive naprave v zdravstvu.

Zmanjšanje stroškov

Raziskovalci si prizadevajo zmanjšati stroške TEG-ov z uporabo bolj razširjenih in cenejših materialov ter z razvojem učinkovitejših proizvodnih procesov. To vključuje uporabo aditivnih proizvodnih tehnik, kot je 3D-tiskanje, za ustvarjanje TEG-ov s kompleksnimi geometrijami in optimizirano zmogljivostjo. Na Kitajskem vlada močno vlaga v raziskave termoelektričnih materialov, da bi zmanjšala odvisnost od uvoženih materialov.

Prihodnji obeti

Prihodnost sistemov za pridobivanje energije iz telesne toplote je obetavna, z znatnim potencialom za rast in inovacije. Ker se termoelektrični materiali in tehnologije naprav nenehno izboljšujejo, se pričakuje, da bo energija iz telesne toplote igrala vse pomembnejšo vlogo pri napajanju nosljive elektronike, medicinskih pripomočkov in drugih aplikacij. Zmanjševanje velikosti in stroškov elektronike v kombinaciji z naraščajočim povpraševanjem po samonapajalnih napravah bo dodatno spodbudilo uporabo sistemov za pridobivanje energije iz telesne toplote.

Ključni trendi, ki jih je treba spremljati:

Napredni termoelektrični materiali: Nadaljnji razvoj visoko zmogljivih termoelektričnih materialov z izboljšanimi vrednostmi ZT in nižjimi stroški.

Prilagodljivi in raztegljivi TEG-i: Razvoj TEG-ov, ki se lahko prilagodijo obliki človeškega telesa in prenesejo mehanske obremenitve.

Integracija z nosljivimi napravami: Brezšivna integracija TEG-ov v oblačila, dodatke in druge nosljive naprave.

Samonapajalni medicinski pripomočki: Razvoj vsadljivih in nosljivih medicinskih pripomočkov, ki jih napaja telesna toplota, kar zmanjšuje potrebo po zamenjavi baterij.

Uporaba v internetu stvari: Široka uvedba senzorjev in naprav, ki jih napaja telesna toplota, v aplikacijah interneta stvari.

Zaključek

Sistemi za pridobivanje energije iz telesne toplote predstavljajo obetavno tehnologijo za izkoriščanje toplotne energije, ki jo proizvaja človeško telo, in njeno pretvorbo v uporabno električno energijo. Čeprav ostajajo pomembni izzivi, nenehna prizadevanja za raziskave in razvoj utirajo pot širši uporabi te tehnologije v različnih aplikacijah. Ker se termoelektrični materiali in tehnologije naprav nenehno izboljšujejo, ima energija iz telesne toplote potencial, da igra pomembno vlogo v prihodnosti trajnostne energije in nosljive elektronike, z globalnimi posledicami za način napajanja naših naprav in spremljanja našega zdravja.