การควบคุมพลังงานมนุษย์: ภาพรวมทั่วโลกของระบบพลังงานความร้อนจากร่างกาย

ในโลกที่มุ่งเน้นไปที่แหล่งพลังงานที่ยั่งยืนและพลังงานหมุนเวียนมากขึ้น เทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมใหม่ๆ กำลังเกิดขึ้นเพื่อใช้ประโยชน์จากทรัพยากรที่ไม่ธรรมดา หนึ่งในสาขาที่กำลังได้รับความสนใจคือ พลังงานความร้อนจากร่างกาย หรือที่เรียกว่าการเก็บเกี่ยวพลังงานจากมนุษย์ สาขานี้สำรวจศักยภาพของการแปลงพลังงานความร้อนที่ร่างกายมนุษย์ปล่อยออกมาอย่างต่อเนื่องให้เป็นพลังงานไฟฟ้าที่ใช้งานได้ บทความนี้จะให้ภาพรวมที่ครอบคลุมของระบบพลังงานความร้อนจากร่างกาย โดยตรวจสอบเทคโนโลยีพื้นฐาน การประยุกต์ใช้ในปัจจุบัน ความท้าทาย และโอกาสในอนาคตจากมุมมองระดับโลก

พลังงานความร้อนจากร่างกายคืออะไร?

พลังงานความร้อนจากร่างกายหมายถึงกระบวนการดักจับและแปลงพลังงานความร้อนที่ร่างกายมนุษย์ผลิตขึ้นเป็นไฟฟ้า โดยเฉลี่ยแล้วร่างกายมนุษย์สร้างความร้อนจำนวนมาก ประมาณ 100 วัตต์ขณะพัก ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากกระบวนการเผาผลาญ ความร้อนนี้จะถูกปล่อยสู่สิ่งแวดล้อมโดยรอบอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่หาได้ง่าย แม้จะเป็นพลังงานเกรดต่ำก็ตาม

เทคโนโลยีที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับการผลิตไฟฟ้าจากความร้อนของร่างกายคือ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก (TEG) TEG เป็นอุปกรณ์โซลิดสเตตที่แปลงความร้อนเป็นไฟฟ้าโดยตรงโดยอาศัยปรากฏการณ์ซีเบค (Seebeck effect) ปรากฏการณ์นี้ระบุว่าเมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างตัวนำไฟฟ้าหรือสารกึ่งตัวนำสองชนิดที่แตกต่างกัน จะเกิดความต่างศักย์ขึ้นระหว่างกัน การวาง TEG ให้สัมผัสกับร่างกายมนุษย์และให้อีกด้านหนึ่งสัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่เย็นกว่า จะทำให้เกิดความลาดชันของอุณหภูมิและผลิตกระแสไฟฟ้าขึ้น

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกทำงานอย่างไร

TEG ประกอบด้วยเทอร์โมคัปเปิลขนาดเล็กจำนวนมากที่เชื่อมต่อทางไฟฟ้าแบบอนุกรมและทางความร้อนแบบขนาน เทอร์โมคัปเปิลแต่ละตัวประกอบด้วยวัสดุสารกึ่งตัวนำที่แตกต่างกันสองชนิด โดยทั่วไปคือโลหะผสมบิสมัทเทลลูไรด์ (Bi₂Te₃) วัสดุเหล่านี้ถูกเลือกใช้เนื่องจากมีค่าสัมประสิทธิ์ซีเบคและการนำไฟฟ้าสูง แต่มีการนำความร้อนต่ำ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์ให้สูงสุด

เมื่อด้านหนึ่งของ TEG ได้รับความร้อน (เช่น จากการสัมผัสกับร่างกายมนุษย์) และอีกด้านหนึ่งถูกทำให้เย็นลง (เช่น จากการสัมผัสกับอากาศแวดล้อม) อิเล็กตรอนและโฮล (ตัวพาประจุในสารกึ่งตัวนำ) จะเคลื่อนที่จากด้านร้อนไปยังด้านเย็น การเคลื่อนที่ของตัวพาประจุนี้สร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าในแต่ละเทอร์โมคัปเปิล การเชื่อมต่อเทอร์โมคัปเปิลหลายตัวแบบอนุกรมจะขยายแรงดันไฟฟ้านี้ ทำให้ได้ผลลัพธ์เป็นไฟฟ้าที่ใช้งานได้

ประสิทธิภาพของ TEG ถูกกำหนดโดยความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างสองด้านของอุปกรณ์และคุณสมบัติของวัสดุสารกึ่งตัวนำ ตัวเลขคุณภาพ (figure of merit - ZT) เป็นพารามิเตอร์ไร้มิติที่บ่งชี้ประสิทธิภาพของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก ค่า ZT ที่สูงขึ้นหมายถึงประสิทธิภาพของเทอร์โมอิเล็กทริกที่ดีขึ้น แม้ว่าจะมีความก้าวหน้าอย่างมากในการวิจัยวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก แต่ประสิทธิภาพของ TEG ยังคงค่อนข้างต่ำ โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 5-10%

การประยุกต์ใช้ระบบพลังงานความร้อนจากร่างกาย

ระบบพลังงานความร้อนจากร่างกายมีศักยภาพในการใช้งานที่หลากหลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และการตรวจจับระยะไกล นี่คือบางส่วนของสาขาหลักที่เทคโนโลยีนี้กำลังถูกสำรวจ:

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่ (Wearable Electronics)

หนึ่งในการประยุกต์ใช้ที่มีแนวโน้มมากที่สุดของพลังงานความร้อนจากร่างกายคือการให้พลังงานแก่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่ อุปกรณ์ต่างๆ เช่น สมาร์ทวอทช์ เครื่องติดตามการออกกำลังกาย และเซ็นเซอร์ต้องการพลังงานอย่างต่อเนื่อง ซึ่งมักต้องพึ่งพาแบตเตอรี่ที่ต้องชาร์จหรือเปลี่ยนเป็นประจำ TEG ที่ใช้พลังงานจากความร้อนของร่างกายสามารถให้แหล่งพลังงานที่ต่อเนื่องและยั่งยืนสำหรับอุปกรณ์เหล่านี้ ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่หรือการชาร์จบ่อยครั้ง

ตัวอย่าง:

• สมาร์ทวอทช์: นักวิจัยกำลังพัฒนาสมาร์ทวอทช์ที่รวม TEG ซึ่งสามารถเก็บเกี่ยวพลังงานจากความร้อนของร่างกายเพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ ยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ หรือแม้กระทั่งทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่เลย
• เครื่องติดตามการออกกำลังกาย: เครื่องติดตามการออกกำลังกายที่ใช้พลังงานจากความร้อนของร่างกายสามารถตรวจสอบสัญญาณชีพอย่างต่อเนื่อง เช่น อัตราการเต้นของหัวใจ อุณหภูมิร่างกาย และระดับกิจกรรม โดยไม่ต้องชาร์จบ่อย
• เสื้อผ้าอัจฉริยะ: TEG สามารถรวมเข้ากับเสื้อผ้าเพื่อจ่ายไฟให้กับเซ็นเซอร์และส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ทำให้สามารถตรวจสอบสุขภาพได้อย่างต่อเนื่องและให้ข้อเสนอแนะส่วนบุคคล บริษัทต่างๆ เช่น Q-Symphony กำลังสำรวจการผสมผสานเหล่านี้

อุปกรณ์ทางการแพทย์

พลังงานความร้อนจากร่างกายยังสามารถใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ทางการแพทย์ โดยเฉพาะอุปกรณ์ที่ฝังในร่างกาย เช่น เครื่องกระตุ้นหัวใจและเครื่องวัดระดับน้ำตาลในเลือด การเปลี่ยนแบตเตอรี่ในอุปกรณ์ที่ฝังในร่างกายจำเป็นต้องได้รับการผ่าตัด ซึ่งมีความเสี่ยงต่อผู้ป่วย TEG ที่ใช้พลังงานจากความร้อนของร่างกายสามารถให้แหล่งพลังงานที่ยาวนานและเชื่อถือได้สำหรับอุปกรณ์เหล่านี้ ลดความจำเป็นในการเปลี่ยนแบตเตอรี่และปรับปรุงผลลัพธ์ของผู้ป่วย

ตัวอย่าง:

• เครื่องกระตุ้นหัวใจ: นักวิจัยกำลังทำงานเพื่อพัฒนาเครื่องกระตุ้นหัวใจที่ขับเคลื่อนด้วยตนเองซึ่งเก็บเกี่ยวพลังงานจากความร้อนของร่างกายเพื่อควบคุมจังหวะการเต้นของหัวใจ
• เครื่องวัดระดับน้ำตาลในเลือด: เครื่องวัดระดับน้ำตาลในเลือดที่ใช้พลังงานจากความร้อนของร่างกายสามารถติดตามระดับน้ำตาลในเลือดได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องใช้แหล่งพลังงานภายนอก
• ระบบนำส่งยา: TEG สามารถจ่ายไฟให้กับไมโครปั๊มและส่วนประกอบอื่นๆ ของระบบนำส่งยาแบบฝังในร่างกาย ทำให้สามารถปล่อยยาได้อย่างแม่นยำและควบคุมได้

การตรวจจับระยะไกล

พลังงานความร้อนจากร่างกายสามารถใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับเซ็นเซอร์ระยะไกลในการใช้งานต่างๆ เช่น การตรวจสอบสิ่งแวดล้อม การตรวจสอบในภาคอุตสาหกรรม และระบบรักษาความปลอดภัย เซ็นเซอร์เหล่านี้มักทำงานในสถานที่ห่างไกลหรือเข้าถึงได้ยากซึ่งการเปลี่ยนแบตเตอรี่ทำได้ไม่สะดวก TEG ที่ใช้พลังงานจากความร้อนของร่างกายสามารถให้แหล่งพลังงานที่เชื่อถือได้และยั่งยืนสำหรับเซ็นเซอร์เหล่านี้ ทำให้สามารถรวบรวมข้อมูลและตรวจสอบได้อย่างต่อเนื่อง

ตัวอย่าง:

• การตรวจสอบสิ่งแวดล้อม: เซ็นเซอร์ที่ใช้พลังงานจากความร้อนของร่างกายสามารถนำไปติดตั้งในพื้นที่ห่างไกลเพื่อตรวจสอบอุณหภูมิ ความชื้น และพารามิเตอร์สิ่งแวดล้อมอื่นๆ
• การตรวจสอบในภาคอุตสาหกรรม: TEG สามารถจ่ายไฟให้กับเซ็นเซอร์ที่ตรวจสอบสภาพของเครื่องจักรและอุปกรณ์ในโรงงานอุตสาหกรรม ทำให้สามารถบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์และป้องกันความล้มเหลวของอุปกรณ์ได้
• ระบบรักษาความปลอดภัย: เซ็นเซอร์ที่ใช้พลังงานจากความร้อนของร่างกายสามารถใช้ในระบบรักษาความปลอดภัยเพื่อตรวจจับผู้บุกรุกและตรวจสอบกิจกรรมในพื้นที่จำกัด

การใช้งานอื่นๆ

นอกเหนือจากการใช้งานที่กล่าวมาข้างต้นแล้ว ระบบพลังงานความร้อนจากร่างกายยังถูกสำรวจเพื่อ:

• อุปกรณ์ Internet of Things (IoT): การจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ IoT ขนาดเล็กที่ใช้พลังงานต่ำซึ่งแพร่หลายมากขึ้นในอุตสาหกรรมและการใช้งานต่างๆ
• พลังงานฉุกเฉิน: การให้พลังงานสำรองในสถานการณ์ฉุกเฉิน เช่น ภัยธรรมชาติหรือไฟฟ้าดับ
• การใช้งานทางทหาร: การจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเซ็นเซอร์ที่ทหารสวมใส่เพื่อการสื่อสาร การนำทาง และการรับรู้สถานการณ์

ความท้าทายและข้อจำกัด

แม้ว่าพลังงานความร้อนจากร่างกายจะมีประโยชน์มากมาย แต่ก็มีความท้าทายและข้อจำกัดหลายประการที่ต้องแก้ไขก่อนที่เทคโนโลยีนี้จะถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลาย:

ประสิทธิภาพต่ำ

ประสิทธิภาพของ TEG ค่อนข้างต่ำ โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 5-10% ซึ่งหมายความว่ามีเพียงส่วนน้อยของพลังงานความร้อนเท่านั้นที่ถูกแปลงเป็นไฟฟ้า การปรับปรุงประสิทธิภาพของ TEG เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการเพิ่มกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้และทำให้ระบบพลังงานความร้อนจากร่างกายน่าใช้งานมากขึ้น

ความแตกต่างของอุณหภูมิ

ปริมาณพลังงานที่ผลิตโดย TEG เป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างด้านร้อนและด้านเย็น การรักษาความแตกต่างของอุณหภูมิให้มีนัยสำคัญอาจเป็นเรื่องท้าทาย โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิแวดล้อมสูงหรือเมื่ออุปกรณ์ถูกคลุมด้วยเสื้อผ้า การจัดการความร้อนและฉนวนที่มีประสิทธิภาพเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อเพิ่มความแตกต่างของอุณหภูมิและกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ให้สูงสุด

ต้นทุนวัสดุ

วัสดุที่ใช้ใน TEG เช่น โลหะผสมบิสมัทเทลลูไรด์ อาจมีราคาแพง การลดต้นทุนของวัสดุเหล่านี้มีความสำคัญในการทำให้ระบบพลังงานความร้อนจากร่างกายมีราคาที่จับต้องได้และเข้าถึงได้มากขึ้น การวิจัยมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกใหม่ที่มีปริมาณมากและราคาถูกกว่า

ขนาดและน้ำหนักของอุปกรณ์

TEG อาจมีขนาดค่อนข้างใหญ่และหนัก ซึ่งอาจเป็นข้อจำกัดสำหรับการใช้งานแบบสวมใส่ การย่อขนาด TEG และลดน้ำหนักเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้สะดวกสบายและใช้งานได้จริงในชีวิตประจำวัน เทคนิคการผลิตระดับจุลภาคแบบใหม่กำลังถูกพัฒนาขึ้นเพื่อสร้าง TEG ที่มีขนาดเล็กลงและเบาขึ้น

ความต้านทานการสัมผัส

ความต้านทานการสัมผัสระหว่าง TEG และร่างกายมนุษย์สามารถลดประสิทธิภาพของการถ่ายเทความร้อนได้ การสร้างความมั่นใจว่ามีการสัมผัสทางความร้อนที่ดีระหว่างอุปกรณ์กับผิวหนังเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการเพิ่มกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ให้สูงสุด ซึ่งสามารถทำได้โดยการใช้วัสดุเชื่อมต่อความร้อนและการออกแบบอุปกรณ์ที่เหมาะสมที่สุด

ความทนทานและความน่าเชื่อถือ

TEG จำเป็นต้องมีความทนทานและเชื่อถือได้เพื่อทนต่อความสมบุกสมบันในการใช้งานประจำวัน ควรสามารถทนต่อความเค้นทางกล ความผันผวนของอุณหภูมิ และการสัมผัสกับความชื้นและเหงื่อ การห่อหุ้มและบรรจุภัณฑ์ที่เหมาะสมเป็นสิ่งจำเป็นในการปกป้อง TEG และรับประกันประสิทธิภาพในระยะยาว

ความพยายามในการวิจัยและพัฒนาระดับโลก

มีความพยายามในการวิจัยและพัฒนาอย่างมีนัยสำคัญทั่วโลกเพื่อเอาชนะความท้าทายและข้อจำกัดของระบบพลังงานความร้อนจากร่างกายและปลดล็อกศักยภาพสูงสุด ความพยายามเหล่านี้มุ่งเน้นไปที่:

การปรับปรุงวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก

นักวิจัยกำลังสำรวจวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกใหม่ที่มีค่า ZT สูงขึ้น ซึ่งรวมถึงการพัฒนาโลหะผสม โครงสร้างนาโน และวัสดุคอมโพสิตแบบใหม่ ตัวอย่างเช่น นักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยนอร์ทเวสเทิร์นในสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่ยืดหยุ่นซึ่งสามารถรวมเข้ากับเสื้อผ้าได้ ในยุโรป สมาคมเทอร์โมอิเล็กทริกแห่งยุโรป (ETS) ประสานงานความพยายามในการวิจัยในหลายประเทศ

การเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบอุปกรณ์

นักวิจัยกำลังปรับปรุงการออกแบบ TEG เพื่อเพิ่มการถ่ายเทความร้อนและลดการสูญเสียความร้อน ซึ่งรวมถึงการใช้ฮีตซิงก์ขั้นสูง ระบบระบายความร้อนแบบไมโครฟลูอิดิก และสถาปัตยกรรมอุปกรณ์แบบใหม่ นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยโตเกียวในญี่ปุ่นได้พัฒนา micro-TEG ที่สามารถรวมเข้ากับเซ็นเซอร์แบบสวมใส่ได้ นอกจากนี้ ทีมวิจัยต่างๆ ในเกาหลีใต้กำลังทำงานเกี่ยวกับการออกแบบ TEG ที่ยืดหยุ่นสำหรับการใช้งานแบบสวมใส่

การพัฒนาแอปพลิเคชันใหม่

นักวิจัยกำลังสำรวจการใช้งานใหม่สำหรับระบบพลังงานความร้อนจากร่างกายในสาขาต่างๆ เช่น การดูแลสุขภาพ การตรวจสอบสิ่งแวดล้อม และระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรม ซึ่งรวมถึงการพัฒนาอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง เซ็นเซอร์ไร้สาย และอุปกรณ์ IoT ตัวอย่างเช่น โครงการที่ได้รับทุนจากคณะกรรมาธิการยุโรปภายใต้โครงการ Horizon 2020 ซึ่งมุ่งเน้นการเก็บเกี่ยวพลังงานสำหรับอุปกรณ์สวมใส่ในด้านการดูแลสุขภาพ

การลดต้นทุน

นักวิจัยกำลังทำงานเพื่อลดต้นทุนของ TEG โดยใช้วัสดุที่มีปริมาณมากและราคาถูกกว่า และพัฒนากระบวนการผลิตที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งรวมถึงการใช้เทคนิคการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ เช่น การพิมพ์ 3 มิติ เพื่อสร้าง TEG ที่มีรูปทรงซับซ้อนและประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุด ในประเทศจีน รัฐบาลกำลังลงทุนอย่างหนักในการวิจัยวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกเพื่อลดการพึ่งพาวัสดุที่นำเข้า

โอกาสในอนาคต

อนาคตของระบบพลังงานความร้อนจากร่างกายดูมีแนวโน้มที่ดี โดยมีศักยภาพในการเติบโตและนวัตกรรมอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกและเทคโนโลยีอุปกรณ์ยังคงพัฒนาต่อไป คาดว่าพลังงานความร้อนจากร่างกายจะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในการจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และการใช้งานอื่นๆ ขนาดและต้นทุนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ลดลง ประกอบกับความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับอุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง จะยิ่งผลักดันการนำระบบพลังงานความร้อนจากร่างกายมาใช้มากขึ้น

แนวโน้มสำคัญที่น่าจับตามอง:

วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกขั้นสูง: การพัฒนาวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกประสิทธิภาพสูงอย่างต่อเนื่องด้วยค่า ZT ที่ดีขึ้นและต้นทุนที่ลดลง

TEG ที่ยืดหยุ่นและยืดได้: การพัฒนา TEG ที่สามารถปรับรูปร่างตามร่างกายมนุษย์และทนต่อความเค้นทางกลได้

การบูรณาการกับอุปกรณ์สวมใส่: การรวม TEG เข้ากับเสื้อผ้า อุปกรณ์เสริม และอุปกรณ์สวมใส่อื่นๆ ได้อย่างราบรื่น

อุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง: การพัฒนาอุปกรณ์ทางการแพทย์แบบฝังและสวมใส่ที่ใช้พลังงานจากความร้อนของร่างกาย ลดความจำเป็นในการเปลี่ยนแบตเตอรี่

แอปพลิเคชัน IoT: การนำเซ็นเซอร์และอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานความร้อนจากร่างกายไปใช้อย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชัน IoT

บทสรุป

ระบบพลังงานความร้อนจากร่างกายเป็นเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มดีสำหรับการควบคุมพลังงานความร้อนที่ร่างกายมนุษย์ผลิตขึ้นและแปลงเป็นไฟฟ้าที่ใช้งานได้ แม้ว่าจะยังมีความท้าทายที่สำคัญอยู่ แต่ความพยายามในการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องกำลังปูทางไปสู่การนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้อย่างแพร่หลายในการใช้งานต่างๆ ในขณะที่วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกและเทคโนโลยีอุปกรณ์ยังคงพัฒนาต่อไป พลังงานความร้อนจากร่างกายมีศักยภาพที่จะมีบทบาทสำคัญในอนาคตของพลังงานที่ยั่งยืนและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่ ซึ่งมีผลกระทบในระดับโลกต่อวิธีที่เราจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์และตรวจสุขภาพของเรา